Technique : La chambre de combustion

le 02/08/2005

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Moteurs à essence

La chambre de combustion est l'espace ménagé dans la culasse ou le piston pour la combustion du mélange air-carburant dans les moteurs à combustion interne. La chambre de combustion, appelée parfois improprement chambre d'explosion, est comprise entre la tête du piston au point mort haut et la culasse. Son volume varie d'un moteur à l'autre et détermine le rapport volumétrique.

Dans les moteurs à piston rotatif du type Wankel, la chambre de combustion est le volume variable compris entre le rotor et les trois parois du carter moteur. Dans les turbines à gaz, les chambres sont constituées par des enveloppes de forme complexe, de sections cylindriques en tôle d'acier spécial capable de supporter des températures très élevées.

Pour les moteurs alternatifs, la forme de la chambre de combustion dépend de nombreux facteurs et, en premier lieu, du cycle choisi : diesel ou essence, deux ou quatre temps, lent ou rapide.

Les facteurs à prendre en considération dans le dessin de la chambre de combustion sont :

- La disposition des soupapes d'admission et d'échappement, afin d'obtenir le meilleur remplissage à tous les régimes de fonctionnement ;

- Le nombre et la forme des conduits d'admission et d'échappement qui influencent la turbulence (soupapes ouvertes ou en phase de compression) ; - La position de la bougie pour avoir le plus petit parcours possible de la flamme, en fonction de la vitesse de propagation de la combustion ;

- La forme du piston (tête bombée ou creusée) pour augmenter la chambre de combustion et obtenir une combustion complète et homogène, sans risque de pré-allumage ou détonation.

Enfin, la forme de la chambre de combustion doit être conçue en fonction du rapport volumétrique choisi et tenir compte de la surface offerte par rapport au volume, afin d'acquérir un rendement thermodynamique élevé et un bon refroidissement.
Soupapes en T
Soupapes en T D.R.
Soupapes latérales
Soupapes latérales D.R.
Les premières chambres de combustion, sur les modèles précédant la Première Guerre mondiale, étaient conditionnées par la dispersion latérale des soupapes (de chaque côté du moteur) avec la bougie vissée sur la culasse. Cette solution ménageait d'importants espaces morts latéraux (chapelles). Le volume total, important, interdisait les rapports volumétriques élevés. Le rendement était faible.

Dans les années 1919-1920, on construisit des chambres en forme de demi-sphères, tout le volume étant reporté autour de la bougie pour favoriser la turbulence. Vers cette époque, on note l'importante contribution du savant anglais, Harry R. Ricardo, dans l'amélioration des rendements. La distribution par soupapes en têtes modifie bientôt le dessin des chambres de combustion, qui dépend désormais de l'angle formé par les soupapes.

On distingue :

- les chambres cylindriques creusées dans la culasse, à soupapes parallèles dans le même axe que le cylindre.
- les chambres hémisphériques. Les soupapes sont disposées obliquement en V. La turbulence n'est pas excellente. Ces culasses ont été longtemps considérées comme celles qui offraient le meilleur rendement. Elles furent notamment utilisées sur les Porsche et les Alfa Romeo. Elles permettent d'utiliser de grandes soupapes avec de faibles rapports surface-volume. La position de la bougie est centrale (au milieu du V pour les moteurs à quatre soupapes par cylindre) et presque centrale pour les autres types.

Cette solution réduit de façon sensible le parcours du front de flamme. Pour accroître le rapport volumétrique, on a doté le piston, initialement plat, d'une tête bombée, augmentant ainsi la surface d'échange thermique. Il existe de nombreuses variantes de chambres hémisphériques, ainsi les moteurs BMW possèdent des chambres trisphériques, le groupe de la Peugeot 104 a une chambre bisphèrique, etc. ..
Les chambres cylindriques
Les chambres cylindriques D.R.
Les chambres hémisphériques
Les chambres hémisphériques D.R.

On distingue encore :
- Les chambres en coin latéralement, avec des soupapes parallèles légèrement inclinées par rapport à l'axe du cylindre ;

- Les chambres triangulaires, toujours avec des soupapes parallèles et la bougie proche de la soupape d'admission.
Elles sont économiques (construction) et présentent un rapport surface-volume convenable. La majeure partie du mé1atlge est concentrée à proximité de la bougie. Enfin, les risques de détonation sont réduits. Une partie de la tête du piston est presque au contact de la culasse, ce qui favorise une forte turbulence vers la bougie pendant la compression ;

- Les chambres trapézoïdales latérales (type Mercedes-Benz).
La turbulence est obtenue grâce à une protubérance sur le piston. Elles ont une excellente résistance au vieillissement, dans la mesure où une forte turbulence évite les dépôts charbonneux ;

- Les chambres Rover. La soupape d'admission est en tête, tandis que celle d'échappement est latérale. La chambre a ainsi une forme sensiblement hémisphérique. La culasse est plate et le piston comporte une saillie en forme de V ;

- Les chambres Héron. Elles sont assez répandues aujourd'hui. Elles permettent une construction simple de la culasse avec des soupapes parallèles et un bon rapport surface-volume. Le diamètre des soupapes dépend évidemment de l'alésage, aussi cette solution convient surtout pour des moteurs carrés.
Dans les années soixante, on a utilisé, sur les moteurs de compétition, une culasse presque triangulaire avec quatre soupapes formant entre elles un angle de 10 à 20° seulement.
Chambres triangulaires, trapézoïdales latérales, Héron
Chambres triangulaires, trapézoïdales latérales, Héron D.R.
On peut remarquer que les solutions découvertes au début de l'automobile sont toujours employées aujourd'hui. On a juste cherché à obtenir des rendements thermodynamiques plus élevés. Actuellement, la différence de rendement d'une chambre à l'autre ne dépasse pas 3 à 5 %.

La raison qui a déterminé l'abandon de la chambre à chapelles latérales des moteurs latéraux est sa forme allongée et sa très grande surface par rapport à son volume, ce qui interdit les rapports volumétriques élevés. Par ailleurs, elle obligeait le fluide à un parcours tortueux. Ce dessin est radicalement inadapté aux moteurs rapides actuels de puissances spécifiques élevées.

Toutefois, cette solution est encore utilisée lorsque des raisons de coût et d'entretien prédominent. Afin d'augmenter la turbulence, l'orientation des conduits est calculée de façon à obtenir, à l'échappement et à l'admission, une rotation du fluide à l'intérieur de la chambre, ce qui rend le mélange plus homogène. Pour des moteurs dont le rapport course-alésage est faible (de l'ordre de 0,6 à 0,7), on prévoit, entre la culasse et la tête du piston, un espace très réduit (quelques dixièmes de millimètre) qui, lors de la compression, permet de pousser le mélange vers la bougie, en direction de la zone de combustion.

Dans les moteurs de compétition et dans les groupes à quatre soupapes par cylindre, on peut diminuer l'angle des soupapes et créer ainsi une chambre très réduite avec un piston pratiquement plat.

Par contre, avec des soupapes inclinées de 60 à 90°, si l'on veut obtenir des rapports volumétriques élevés (10 à 12 : 1) on doit prévoir une forme sphérique, car il est nécessaire dans ce cas d'avoir une calotte importante sur le piston. Une telle chambre ne permet pas une propagation rapide de la flamme.

Enfin, la chambre de combustion peut être étudiée spécialement en vue d'une réduction de la pollution. On a, en particulier, noté une tendance à augmenter la course des moteurs, à réduire le volume des chambres et à soigner la turbulence grâce à des conduits spéciaux.

Toutefois, la contribution apportée dans ce domaine par une forme particulière est minime. Toutes les solutions se valent pratiquement. Dans les moteurs deux temps, enfin, caractérisés par l'absence de soupapes, le dessin de la chambre est plus simple.

Celle-ci est généralement creusée dans la culasse et a une forme de calotte sphérique, avec la bougie pratiquement au centre (v. combustion, raboter la culasse, rapport volumétrique).

Moteur Diesel

La chambre de combustion varie selon que le moteur est à injection directe (injecteur vissé sur la chambre) ou à injection indirecte (avec préchambre).

Dans le premier cas, la chambre est dans la tête du piston avec une cavité autour de l'injecteur. Dans le second cas, la chambre comporte une annexe, ou préchambre, dans laquelle se produit l'injection et le début de la combustion. Les chambres de combustion dans le piston peuvent être de trois types fondamentaux :
- hémisphérique,
- sphérique
- torique.

Les chambres auxiliaires ont pour but d'augmenter la turbulence pour obtenir la combustion totale du gas-oil injecté. Les préchambres ont des formes diverses : cylindrique, conique ou sphérique, tandis que la chambre principale comprise entre le piston et la culasse est cylindrique. Les deux chambres sont reliées entre elles par plusieurs conduits.

Certaines chambres de précombustion, destinées surtout aux moteurs rapides, sont à haute turbulence. Elles différent des autres chambres par la disposition du canal de communication avec le cylindre, qui est tangentiel à la chambre principale. Cette situation provoque une turbulence élevée, laquelle rend possible l'utilisation d'injecteurs à jet unique ou à pression réduite.

Dans le domaine des culasses pour moteurs Diesel, le dessin est nettement plus compliqué que celui des moteurs à essence, si bien que chaque type de chambre porte généralement le nom du constructeur ou de l'inventeur.

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