Cours MCI Approfondi-Chapitre I

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université Mohamed BOUDIAF de MSILA

Faculté de Sciences et de Technologie
Département de Génie Mécanique
Polycopié de
MOTEURS À COMBUSTION INTERNE
Cours approfondi
Réalisé par
Dr. Amar BERKACHE
Février 2018
Cours moteurs à combustion interne approfondi ; Préface
PRÉFACE
Plusieurs polycopiés de cours ont été rédigés sur les moteurs à combustion internes (MCI)
d’une manière simple et peu approfondie, alors qu’en ce qui concerne les études approfondies des
MCI, on y trouve que peu de de polycopiés qui s’orientent vers ce type de rédaction, même sur
internet, il n’est facile de trouver des études profondes sur ce type de cours.
Dans le présent polycopié « Moteurs à combustion interne approfondi », qui s’adresse aux
étudiants de deuxième année Master Option ENERGETIQUE en Génie Mécanique, J’ai essayé de
grouper plusieurs points d’étude se rapprochant le plus près possible du programme du ministère
de l’enseignement supérieur.
La rédaction de ce cours a été réalisée de manière simplifiée afin que l’étudiant puisse
assimiler le contenu du cours et avoir une compréhension claire.
Le Polycopié a touché plus de 95% du programme imposé par le ministère et est divisé en
cinq chapitres.
Chapitre I : Nouvelles techniques et amélioration du rendement des moteurs.

Chapitre II : Techniques d'injection d'essence.
Chapitre III : Modélisation de la combustion dans les moteurs.
Chapitre IV : Formation de polluants.
Chapitre V : Suralimentation des MCI par turbocompresseur
Dr. BERKACHE Amar

Cours moteurs à combustion interne approfondi ; Table des matières
TABLE DES MATIÈRES

CHAPITRE I ........................................................................................................................................... 1
NOUVELLES TECHNIQUES ET AMELIORATION DU RENDEMENT DES MOTEURS ............. 1
I-1. Sous-dimensionnement (Downsing en Anglais) ................................................................... 1
I-1-1. L'injection directe .......................................................................................................... 2
I-1-2. L’injection indirecte ...................................................................................................... 4
I-1-3. La suralimentation (Plus de détails dans le chapitre VI) ............................................... 5
I-1-4. Courbes d'iso-consommation......................................................................................... 6
I-2 Distribution variable .............................................................................................................. 7
I-2-1. Définition....................................................................................................................... 7
I-2-2. Différents types de distribution ..................................................................................... 7
I-2-3. Avantages de la distribution variable .......................................................................... 15
I-2-4. Inconvénients de la distribution variable ..................................................................... 15
I-3 Taux de compression variable ............................................................................................. 15
I-3-1. Rappels de base ........................................................................................................... 15
I-3-2. Relation entre le taux de compression et le rendement du moteur .............................. 17
I-3-3. Choix du taux de compression..................................................................................... 21
I-3-4. Principe du taux de compression ................................................................................. 21
I-3-5. Ajustement du taux de compression ............................................................................ 22
I-4. Cycle Miller-Atkinson ........................................................................................................ 24
I-4-1. Conception................................................................................................................... 24
I-4-2. Cycle thermodynamique parfait .................................................................................. 24
I-4-3. Moteur à quatre temps à cycle Atkinson ..................................................................... 24
I-4-4. Différence entre le cycle Atkinson et le cycle Otto ..................................................... 26
I-5 Charge stratifiée. .................................................................................................................. 26
I-5-1. Principe. ....................................................................................................................... 26
I-5-2. Coefficient d’air et richesse ......................................................................................... 27
I-5-3. Avantages de la combustion stratifiée : ....................................................................... 28
Dr. BERKACHE Amar

I-6 Concept HCCI...................................................................................................................... 28
I-6-1. Principe. ....................................................................................................................... 28
I-6-2. Histoire ........................................................................................................................ 29
I-6-3. Méthode ....................................................................................................................... 29
I-6-4. Avantages .................................................................................................................... 30
I-6-5. Inconvénients ............................................................................................................... 30
I-6-6. Contrôle de la combustion ........................................................................................... 30
I-7 Concept PCCI ...................................................................................................................... 31
CHAPITRE II........................................................................................................................................ 33
TECHNIQUES D'INJECTION D'ESSENCE ....................................................................................... 33
II-1. Gestion électronique et diagnostique moteur .................................................................... 33
II-1-1. Notion de richesse d'un mélange carburant ................................................................ 33
II-1-2. Analyse de la courbe du rapport Lambda .................................................................. 34
II-1-3. Mesure de la richesse ................................................................................................ 35
II-2. Système d'injection ............................................................................................................ 35
II-2-1. Principe. ..................................................................................................................... 35
II-2-2. Avantages du système d'injection .............................................................................. 35
II-2-3. Différents systèmes d'injection................................................................................... 35
II-2-4. Principe de l'injection K-Jetronic (1974-1988). ......................................................... 36
II-2-5. Principe de l'injection L-Jetronic (1974-1985)........................................................... 38
II-2-6. Principe de l'injection D-Jetronic (1967-1976) sur les voiture DS Citroën................ 40
II-7. Fonctionnement du circuit d’air et du circuit d’essence. ............................................... 42
CHAPITRE III ...................................................................................................................................... 45
MODELISATION DE LA COMBUSTION DANS LES MOTEURS................................................. 45
III-1. Introduction ...................................................................................................................... 45
III-2. Modèle thermodynamique 1 zone .................................................................................... 46
III-3. Modèle Thermodynamique 2 zones ................................................................................. 49
III-4. Modèle Thermodynamique Multizones ........................................................................... 51
CHAPITRE IV ...................................................................................................................................... 53
Dr. BERKACHE Amar
SURALIMENTATION DES MCI PAR TURBOCOMPRESSEUR.................................................. 53
IV-1. Principe. ........................................................................................................................... 53
IV-2. Suralimentation par turbocompresseur ............................................................................ 53
IV-3. Suralimentation par compresseur ..................................................................................... 55
IV-4. Cartographies de turbocompresseurs ............................................................................... 56
IV-4-1. Performances d’un turbocompresseur. ..................................................................... 56
IV-4-1-1. Le facteur de débit ............................................................................................. 58
IV-4-1-2. Le facteur d'enthalpie  ........................................................................................ 58
IV-4-2. Présentation générale des performances d'une machine ........................................... 59
IV-5. Cartographies de turbines................................................................................................. 60
IV-6 Adaptation moteur – turbo ................................................................................................ 61
CHAPITRE V ....................................................................................................................................... 62
FORMATION DE POLLUANTS ........................................................................................................ 62
V-1. Introduction ....................................................................................................................... 62
V-2. Monoxyde de Carbone ...................................................................................................... 64
V-3. Hydrocarbures imbrulés : HC............................................................................................ 65
V-4. Formation des aromatiques ............................................................................................... 65
V-5. Formation des suies ........................................................................................................... 65
V-6. Formation des NOx ........................................................................................................... 66
V-7. Fonctionnement du catalyseur. .......................................................................................... 66
EXERCICES ......................................................................................................................................... 67
EXERCICE 1............................................................................................................................. 67
EXERCICE 2............................................................................................................................. 69
EXERCICE 3............................................................................................................................. 70
EXERCICE 4............................................................................................................................. 71
EXERCICE 5............................................................................................................................. 72
EXAMEN.............................................................................................................................................. 74
A- QUESTIONS DE COURS ................................................................................................... 74
Dr. BERKACHE Amar

B- EXERCICE........................................................................................................................... 75
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .............................................................................................. 77
Dr. BERKACHE Amar

Cours moteurs à combustion interne approfondi ; Chapitre I
CHAPITRE I
NOUVELLES TECHNIQUES ET AMELIORATION DU
RENDEMENT DES MOTEURS
I-1. Sous-dimensionnement (Downsing en Anglais)
Le Sous-dimensionnement désigne un ensemble de procédés visant à réduire la cylindrée

d'un moteur, sans en dégrader la puissance spécifique, dans le but de réduire la consommation de
carburant. Les solutions techniques apportées aux moteurs essence comme aux moteurs diesel
permettent de réduire la cylindrée en conservant une puissance suffisante aux besoins du véhicule.
Pour arriver à ce but on utilise plusieurs méthodes comme : L’injection directe et la

suralimentation
Les solutions techniques apportées aux moteurs essence comme aux moteurs diesel
permettent de réduire la cylindrée en conservant une puissance suffisante aux besoins du véhicule
(Figure1)
Figure I.1 : Moteur avant et après sous-dimensionnement
Dr. BERKACHE Amar Page 1

I-1-1. L'injection directe
L'injection directe sur les moteurs essence n'est pas une nouveauté. La magnifique
Mercedes 300 SL (1955) a été la première voiture de série à être équipée d'une injection directe
essence. L'idée n'a pratiquement plus été mise en œuvre jusque dans les années 1980 où le
fabriquant Fiat propose une injection directe diesel. Le principe permet une combustion stratifiée
à mélange pauvre (rapport carburant/air <1), amène une réduction de l'ordre de 10% de la
consommation mais produit dans le même temps plus d'oxyde d'azote (NOx). Depuis, la
technologie a évolué vers le turbo-diesel à injection directe.
Le système d'injection directe est assez commun entre un moteur diesel et un moteur
essence, ce qui n'est pas le cas pour l'injection indirecte dont la conception change en fonction du
moteur essence ou Diesel
L'injection directe est de plus en plus répandue (c'est même systématique maintenant) pour
des raisons environnementales.
Ici c'est donc assez simple, le bout de l'injecteur donne directement dans la chambre de
combustion (le cylindre), il va donc pulvériser le carburant directement dans cette chambre au
moment voulu, plus ou moins tôt, plus ou moins souvent et avec plus ou moins de carburant.
Une injection directe permet de garder plus propre l'admission puisqu'il n'y que de l'air qui
y passe et non pas le mélange air + carburant.
Ce type d'injection implique aussi généralement de plus fortes pressions car ce type de
moteurs a un taux de compression plus élevé. Cela induit donc une injection qui doit être plus
performante en injectant le carburant avec plus de force (la pression est donc supplémentaire et les
injecteurs subissent plus de contraintes).
L'injection d'un moteur à injection indirecte est donc potentiellement plus fiable dans le
temps au niveau des injecteurs et de la pompe qui montent moins en pression.
Enfin, il faut noter que l'injection directe permet d'envoyer plusieurs jets au lieu d'un seul
pour un même cycle, cela permet alors de mieux mélanger l'air et le carburant (plus c'est homogène
mieux c'est, sauf pour la combustion stratifiée).

Le carburant est ici envoyé

sous pression directement dans la
chambre de combustion. La forme
du piston doit être particulièrement
étudiée en termes d'aérodynamisme
contrairement à ce qu'indique ce
schéma conceptuel.
Figure I.2 : Injection directe

Phase d'injection du carburant
L’injection se fait d’une manière classique c'est-à-dire que le carburant est injecté au
moment de l'admission d'air pour que le tout se mélange de manière homogène. Il se vaporise sous
l'effet de la chaleur et brûle de manière optimale. Car l'essence s'enflamme sous forme de vapeur
et non pas quand elle est liquide.
L'injection directe nécessite une plus grande pression pour injecter le carburant dans les
cylindres que pour une version indirecte (taux de compression plus élevé pour améliorer le
rendement moteur, et donc la consommation. Sans oublier le turbo qui augmente encore le tout),
le coût est alors plus élevé.
Cette méthode permet aussi de contrôler au millimètre la dose de carburant injectée, avec
une modulation possible selon le régime moteur. Le calculateur a alors la main de manière parfaite
sur la combustion. Pour une injection indirecte, le carburant (essence) arrive au même moment
que le comburant (air), sans autre possibilité.
Figure I.3 : Phase d'injection classique dans une injection directe

I-1-2. L’injection indirecte
Les moteurs essence et diesel ne fonctionnant pas de la même manière, il faut distinguer
les deux.
I-1-2-1. Injection indirecte sur moteur essence
Sur une injection

indirecte de moteur essence,
l'injecteur est placé en amont de
la soupape, soit dans la tubulure
d'admission. Le mélange est
effectué par vaporisation avant
de rentrer dans le cylindre Sur un
moteur essence, c'est dans le
conduit d'admission qu'on injecte
le carburant
Figure 4 : Injection indirecte sur moteur essence
I-1-2-2. Injection indirecte sur moteur diesel
Dans le cas d’une injection indirecte sur un moteur diesel, l'injection se fait dans une petite
chambre séparée (préchambre de combustion) qui donne sur le cylindre, et non pas dans le conduit
d'admission comme dans le cas d'une injection indirecte essence.
En gros, cette méthode permet d'améliorer la combustion du diesel malgré l'emploi d'une
injection basse pression.
Lors de la compression, l'air admis va être envoyé vers cette préchambre sous pression
pour se mélanger au carburant vaporisé qui va alors commencer à s'enflammer.
Les turbulences provoquées par l'aérodynamisme de la préchambre permettent d'améliorer

la combustion. Dans ce cas, les bougies de préchauffage sont plus utiles que dans le cas d'une
injection indirecte. Un moteur à injection directe démarrera plus facilement sans elles.
Une petite chambre connectée au cylindre permet à la fois d'injecter le carburant mais aussi
de le mélanger à l'air de l'admission grâce à une forme spécifique en termes d'aérodynamisme.
(Figure I.5)

Figure I.5 : Injection indirecte sur moteur Diesel
1-1-2-3. Injecteurs différents
La forme des injecteurs pour une injection directe et une injection indirecte est assez
différente comme le montre la figure I.6.
Voici les différences entre une version directe et une autre indirecte
Figure I.6 : Injecteurs pour injection directe et injection indirecte
I-1-3. La suralimentation (Plus de détails dans le chapitre VI)
La suralimentation par turbocompresseur apporte également un gain de puissance ou une

diminution de cylindré à puissance identique ; par exemple, un moteur 1,6 litres turbocompressé
(Mini Cooper S) obtient les mêmes performances de couple qu'une cylindré de 2,5 litres
atmosphérique (sans suralimentation).
Le turbocompresseur à faible inertie fonctionne alors à tous les régimes moteur et permet
d'observer une caractéristique de couple pratiquement constante de 2000 à 5000 tr/min ; l'économie
de carburant est alors de l'ordre de 10%.

I-1-4. Courbes d'iso-consommation
Pour un moteur à combustion interne, la quantité de carburant dépend de sa puissance, du

couple demandé et de son régime en tours par minute. Les courbes d'iso-consommation indiquent
les zones où le moteur est économe et celles qui engendrent une forte consommation.
Ces courbes permettent de comparer des motorisations différentes en fonction de la

consommation spécifique Cse en g/kWh. La consommation d'un moteur thermique varie avec la
vitesse de rotation (régime tr/min) et la charge (couple produit sur l'arbre moteur Nm)). Pour
analyser la consommation de carburant d'un moteur, il est pratique d'utiliser un diagramme du type
joint4 qui indique la consommation spécifique (g de carburant par kWh) pour chaque couple (Nm)
et vitesse de rotation (tr/min). On observe sur un tel graphique appelé « cartographie moteur » qu'il
existe plusieurs combinaisons possibles de couple et vitesse de rotation pour produire une même
puissance (par exemple points de fonctionnement 1,2 et 3 du graphique joint). Sur le graphique
joint, le point de fonctionnement 3 correspond à une efficacité énergétique de 33 % proche de la
ligne de consommation minimale du moteur. À l'inverse, l'efficacité énergétique du point de
fonctionnement 1 n'est que de 24 % et dans les zones de faible charge, elle est inférieure à 20 %.
Figure I.7 : Cartographie d'un moteur indiquant la consommation spécifique en fonction du

couple (Nm) et de la vitesse de rotation (tr/min)

I-2 Distribution variable
I-2-1. Définition
On appelle "distribution" l'ensemble des organes qui réalisent l'ouverture et la fermeture

des conduits d'admission et d'échappement, et des éléments qui effectuent leur commande.
Le rôle de la distribution est de commander l'ouverture et la fermeture des soupapes,

imposer leur instant de l'ouverture, l'amplitude et la durée du mouvement.
I-2-2. Différents types de distribution
I-2-2-1. Emplacement de l'arbre à cames
Deux solutions sont utilisées :

✓ L'arbre à cames est appelé latéral lorsqu'il est situé sur le côté du bloc moteur.
✓ Il est appelé arbre à cames en tête lorsqu'il est placé sur la culasse à proximité
immédiate des soupapes.
a b
) )
Figure I.10. Emplacement de l’arbre à cames : a) arbre à cam latéral, b) Arbre à cames en tête
I-2-2-2. Entraînement de l'arbre à came
Dans tous cas c'est le vilebrequin qui assure l'entraînement de l'arbre à cames.
L'arbre à cames doit tourner deux fois moins vite que le vilebrequin car les soupapes ne
doivent s'ouvrir qu'une fois par cycle.
Trois solutions sont utilisées :
✓ Les engrenages, utilisés particulièrement dans les moteurs Diesel

✓ Les pignons reliés par chaîne. Ce système est couramment utilisé dans les moteurs
à arbre à cames latéral et dans certains arbres à cames en tête.

✓ Les pignons reliés par courroie crantée. Système de plus en plus répandu dans les
moteurs à arbre à cames en tête. Son fonctionnement est plus silencieux et ne
nécessite pas de système de lubrification.
Figure I.11. Entrainement de l’arbre à cames : a) Entrainement par engrenages, b) Entrainement

par chaîne, c) Entrainement par courroie crantée
A- Distribution classique fixe
Figure I.11. Distribution classique.
La distribution permet de synchroniser le mouvement du vilebrequin avec celui

des soupapes d'admission et d'échappement. Cela se produit donc par une courroie ou une chaîne
qui relie le vilebrequin à l'arbre à cames.
Cet arbre tourne alors au même rythme que le vilebrequin, les cames situées dessus
viennent alors ouvrir temporairement les soupapes en les poussant (elles reviennent en position
grâce à des ressorts).

Le degré et le temps d'ouverture sont donc relatifs à la forme des cames. Plus elles sont
arrondies plus le temps d'ouverture sera long, plus elles sont longues plus l'ouverture sera grande.
Notions de base sur les cames
Selon la forme des cames, l'ouverture des soupapes sera différente.
Forme plus ou moins conique
Ouverture plus longue dans le temps
Plus la came sera "pointue", moins la durée d'ouverture sera longue. En effet, la came de
droite viendra forcément ouvrir la soupape sur une durée plus longue puisque son extrémité va être
en contact plus longtemps (elle appuiera sur la soupape pendant une durée plus longue donc, elle
sera donc ouverte plus de temps).
Ouverture plus grande
Si le bout est de la même taille mais que la came est plus grande, et bien la soupape sera
poussée plus loin vers le bas (sans toutefois que la durée d'ouverture ne change).

Ouverture plus tôt
Ici on décale juste la position de la came par rapport à l'arbre (d'où le petit repère placé sur
l'axe de l'arbre pour le voir)
B-Distribution variable
Principe
La distribution variable consiste donc à pouvoir moduler les paramètres (pas forcément
tous, cela dépend des systèmes) des soupapes d'admission et d'échappement (souvent que
d'admission), à savoir :
✓ Moment d'ouverture des soupapes (plus ou moins en avance)
✓ Durée d'ouverture (plus ou moins longtemps)
✓ Degré d'ouverture (plus ou moins ouvert)
L'ouverture variable des soupapes est alors généralement produite par un circuit
hydraulique qui vient faire bouger un élément intermédiaire situé entre les soupapes et les cames
(culbuteur à plusieurs positions). On peut citer le ValveTronic (BMW) ou encore le système VTEC
(Honda). Il existe aussi des systèmes qui rendent la poulie de l'AAC modulable au niveau de son
axe afin de changer les moments d'ouverture (pas de culbuteur mobile ici), système VVT de
Toyota.
Sur le système Valvetronic de BMW, on fait bouger la position des culbuteurs spécifiques
grâce à un système de vis sans fin qui bouge un arbre (cet arbre modifie donc la position des
culbuteurs sur toute la ligne). Le culbuteur est une pièce qui se situe entre l'arbres à cames et les
soupapes (sorte de levier), en poussant l'un d'entre eux ça pousse aussi la soupape correspondante.
Grâce à des culbuteurs ayant une forme spécifique, le fait de modifier leur positionnement permet
alors de pousser les soupapes d'une manière différente. Ici on a deux culbuteurs en cascade, la

came vient pousser un premier culbuteur, qui lui-même pousse le deuxième et qui lui-même pousse
la soupape. Un système permet de faire varier la position initiale du premier culbuteur, ce qui aura
comme effet de modifier toute la chaîne, entraînant alors une modification du temps d'ouverture
des soupapes. Mais les manières de faire varier l'ouverture des soupapes peuvent être différentes.
De plus, certains systèmes ne vont jouer que sur le degré d'ouverture quand d'autres vont
se focaliser sur le temps d'ouverture ou encore le moment.
On peut préciser par exemple que le VTEC va jouer sur la "grandeur" et le temps
d'ouverture de la soupape, le VVT va lui décaler le moment d'ouverture / fermeture
Système Vanos.
Le VANOS (VAriable NOckenwelle Steuerung) est le système de distribution variable de

BMW, complémentaire avec le Valvetronic. C'est le système le plus pointu et efficace sur le
marché car il permet plus de possibilités au niveau de la gestion variable des soupapes
Son principe : Il consiste à ajuster la quantité de carburant/air ainsi qu’à gérer la sortie
des gaz, cela en contrôlant le positionnement des temps d’ouverture des soupapes en fonction
du régime moteur et de la position de la pédale d’accélération.
Par exemple : si on a besoin de puissance alors les soupapes resteront ouvertes légèrement
plus longtemps afin d’envoyer plus de carburant dans le cylindre.
Ses avantages : Ce système améliore de manière significative le couple du moteur (à bas

et moyen régime) et les émissions de gaz.
Son fonctionnement : Afin de modifier le temps d’ouverture des soupapes, le VANOS

modifie la position angulaire des arbres à cames. Il va donc travailler sur l’avance ou le retard à
l’ouverture ou la fermeture des soupapes. Le calculateur DME (Digital Motor Electronic) va
collecter les informations du régime moteur et de la position de la pédale d’accélération.
Il va ensuite calculer l’avance ou le retard de l’arbre à came à avoir et le transmettre à un

système hydraulique (un piston) qui va modifier mécaniquement la position de l’arbre à came en
actionnant un pignon à denture hélicoïdale.
Système Valvetronic
Ce système est semblable au système Vanos, il a pour but de réduire l’effet de pompage lorsque
le moteur est à bas régime (résultat des forces de pression et de dépression au-dessus du piston et qui
s’opposent à la rotation du moteur).

Son fonctionnement. Un levier est placé entre l’arbre à cames et le culbuteur à rouleau
habituel. À forte charge, ce levier est en permanence en contact avec la came. La descente de la
soupape est de 9,7 mm. La soupape est ouverte pendant 250° de vilebrequin. À faible charge, le
levier est éloigné de la came par l’action du moteur électrique (jaune). Le levier ne suit qu’une
partie du mouvement de la came. Le temps d’ouverture de la soupape est plus court et son
déplacement peut être réduit jusqu’à 0,25 mm (images dans le slide-show plus bas).
Ce fameux levier est commandé par un moteur électrique, via une vis sans fin et réagit en
0.3 secondes. Ce système pèse environ 5kg.
Certains modèles à 4 soupapes par cylindre ont une levée asymétrique entre les 2 soupapes
pour améliorer l’effet tourbillon dans le cylindre.
Pour sécuriser le système, un papillon de valve est installé, notamment en cas de

dysfonctionnement du système. BMW annonce une baisse de la consommation de 18% au ralenti
et de 6% à 3 000 tr/mn.
Figure I.12. Système VALVETRONIC.
L’avantage du système VALVETRONIC est surtout mesurable en utilisation « faible

charge ».

Système VTEC, Fonctionnement VTEC
Vue de profil : les cames du "premier plan sont sur le même plan" et les deux du fond aussi
(bleu clair et rose). Notez que l'arbre du haut tourne sur lui-même au même rythme que le
vilebrequin (c'est un arbre à cames classique). Le deuxième du dessous ne tourne pas sur lui-même,
il ne peut qu'être incliné vers le bas et revenir à sa position initiale.
Vue de dessus pour mieux comprendre le premier schéma
Fonctionnement "normal"

Ici tout se produit comme avec un arbre à cames normal, on peut donc oublier les deux
cames du fond (bleu clair et rose). La came du haut (AAC moteur) vient pousser la came de l'arbre
intermédiaire du bas qui elle-même pousse la queue de soupape. La longue came du haut vient
pousser assez bas la came rose du deuxième arbre. Mais comme elle n'est pas fixée à son arbre
cela n'influe sur rien.
Avec distribution variable active
Ici les choses changent un peu, les deux cames de l'arbre du dessous (l'arbre intermédiaire)
sont désormais fixées entre elles par un loquet. De ce fait, la came rose est en prise avec son arbre,
résultat la longue came de l'arbre du haut (bleu clair) pousse la came rose qui entraine donc en

même temps la bleue située à ses côtés. Cela fait donc varier plus l'inclinaison du deuxième arbre
de manière plus importante car la deuxième came du haut est plus longue.
I-2-3. Avantages de la distribution variable
Le fait de contrôler le degré et le temps d'ouverture selon le régime moteur permet

beaucoup d'avantages ... En effet, le contrôle de la modularité du temps et du degré d'ouverture a
des bienfaits sur la consommation, l'agrément et les performances.
Pour la consommation, on réduit l'effet de pompage des moteurs essence en permettant

alors de fonctionner avec le papillon des gaz ouvert le plus possible. Car un moteur essence ne
fonctionne pas en excès d'air comme sur un diesel, il faut limiter l'arrivée d'air pour que le mélange
ne soit trop pauvre. En permettant de réduire l'ouverture des soupapes d'admission on peut alors
ouvrir plus grand le papillon (on limite donc la prise d'air par la soupape et non par le papillon).
De plus, les ingénieurs se sont aperçus que le rendement moteur était un peu meilleur à haut régime
quand les soupapes d'admission et d'échappement étaient ouvertes ensembles pendant un tout petit
laps de temps. Cependant cette manière de fonctionner n'est pas possible sur les petits régimes,
notamment le ralenti car l'aspiration n'est plus assez "brutale" pour exploiter ce phénomène.
La distribution variable par les cames permet donc d'avoir des soupapes qui s'ouvrent et se
ferment à la suite dans les bas régimes mais qui en même temps peuvent avoir une ouverture
commune (une toute petite partie du temps) à haut régime.
I-2-4. Inconvénients de la distribution variable
Le système apporte de la complexité au moteur et donc potentiellement plus de pannes ...

De plus, tout le dispositif alourdit un peu le travail du vilebrequin qui est alors pénalisé par une
petite résistance supplémentaire (très légère baisse du rendement), sauf sur le VVT de Toyota qui
reste un module électrique qui fait varier la position de l'axe de l'arbre à cames.
I-3 Taux de compression variable
I-3-1. Rappels de base
Le fonctionnement d’un moteur met en jeu un ensemble mobile constitué d’un vilebrequin,
de bielles et de pistons. Le piston monte et descend, alternativement : lorsqu’il est à sa position la
plus haute, on dit qu’il est au point mort haut (PMH). Lorsqu’il est à sa position la plus basse, il
est au point mort bas (PMB). La course C d’un moteur est la distance entre le PMB et le PMH.

L’alésage d’un moteur est le diamètre du cylindre. La cylindrée unitaire d’un moteur (notée V et
représenté en jaune sur le schéma en dessous) est le volume du cylindre dont le diamètre est
l’alésage et la hauteur la course. On a donc
D2
V= xC
4
I.1)
La cylindrée Vt est la somme de toutes les cylindrées unitaires.
On a donc Cylindrée =Vt=V.n (n : nombre de cylindres)
Lorsque le piston est au PMH, le volume de la chambre de combustion est appelé le volume
mort (noté v et représenté en rouge sur le schéma en dessous).
Le taux de compression (qu’on appelle également rapport volumétrique de compression,

RVC) se calcule de la façon suivante :
V+v I.2)
RVC =
v
Figure I.13. Cylindrée Moteur.

Pour une cylindrée donnée, le taux de compression est donc uniquement lié au volume
mort. Plus ce dernier est petit, plus le taux de compression est élevé. Il est important de noter que
tel qu’on l’a défini, le taux de compression est géométrique. Le taux de compression réel, qu’on
appelle taux de compression effectif varie très souvent du taux de compression géométrique. En
effet, la fermeture des soupapes d’admission n’a que très rarement lieu exactement au PMB. La
cylindrée n’est donc pas totalement exploitée, le taux de compression effectif est donc inférieur au
taux de compression géométrique.
Pour notre problématique, on s’intéresse uniquement au taux de compression géométrique.
I-3-2. Relation entre le taux de compression et le rendement du moteur
Petit rappel du cycle thermodynamique d’un moteur à allumage commandé, appelé cycle
Beau-de-Rochas
1-2 : les soupapes d’admission sont ouvertes. Le piston descend du PMH vers le PMB, en
aspirant les gaz frais. C’est l’admission. Arrivé au point 2, les soupapes d’admission se ferment.
2-3 : toutes les soupapes sont fermées. Le piston monte du PMB vers le PMH, en
comprimant les gaz frais. C’est la compression.
3-4 : l’allumage se déclenche. C’est la combustion.
4-5 : toutes les soupapes sont encore fermées. La pression pousse le piston du PMB vers le
PMH. C’est la détente.
5-6 : les soupapes d’échappement s’ouvrent.
6-1 : les soupapes d’échappement sont ouvertes. Les gaz sont refoulés par la montée du
piston. C’est l’échappement.
Figure I.14. Différentes étapes de fonctionnement d’un M.C.I 4 temps.

On retrouve ces différentes étapes sur le diagramme pression/volume ci-dessous. Le taux

de compression a un impact sur les phases de compression (2-3) et de détente (4-5).
Figure I.14. Cycle de Beau de Rochas dans le Diagramme PV
I-3-2-1. Rendement du cycle Beau de Rochas
Il fait apparaître uniquement 2 paramètres :

✓ Le taux de compression RVC
✓ Le coefficient adiabatique du gaz concerné 
En fixant ce dernier coefficient, on peut donc facilement obtenir l’évolution du rendement

thermodynamique théorique en fonction du taux de compression :
Figure I.15. Variation du rendement de Beau de Rochas en fonction du taux de compression

On remarque que :
✓ Plus le RVC est élevé, plus le rendement est élevé
✓ Le gain en rendement s’estompe lorsqu’on arrive vers des RVC élevés. Par
exemple, en passant d’un RVC de 8 à 9, on passe d’un rendement de 56,5 à 58,5%, soit 2,0
points de rendement en plus. En passant d’un RVC de 14 à 15, le rendement passe de 65,2
à 66,1%, soit seulement 0,9 point de rendement en plus.
Quand on voit ce graphique, le choix est vite fait : on choisit un taux de compression élevé
pour maximiser le rendement. Malheureusement, ce n’est pas si simple et un phénomène impose
un compromis : c’est le cliquetis.
I-3-2-2 Le cliquetis
Le cliquetis est un phénomène d’auto-inflammation auquel le mélange air-carburant est

soumis lorsqu’il se trouve dans des conditions de pression et de température élevées.
Avec la même température et la pression lors de la fermeture des soupapes d’admission, la

pression et la température augmentent d’autant plus pendant la phase de compression que le RVC
est élevé.
Sur les graphiques ci-dessous, est représentée l’évolution de la pression et de la température

dans la chambre de combustion pendant la phase de compression pour différents RVC.
Par exemple en passant d’un RVC de 9 à 10, la pression au PMH augmente de quasiment
7 bar et la température de 31°C. On avance donc fortement le moment où le mélange va s’auto-
enflammer.

Figure I.19. Évolution de la pression et de la température de différents RVC.

En fait le cliquetis est un combat entre la vitesse de combustion et l’auto-inflammation du
mélange. Si la combustion est rapide : le mélange n’a pas le temps de s’auto-enflammer. Si la
pression et la température sont trop élevées, une partie du mélange peut s’auto-enflammer avant
que la flamme l’atteigne.
Figure I.20. Phénomène du cliquetis

Pour lutter contre le cliquetis, il y a de nombreuses possibilités. Certaines concernent la

géométrie même du moteur (forme de la chambre de combustion, refroidissement, qualité du
mélange, …) d’autres concernent le réglage. Dans la dernière catégorie, la plus simple est de
retarder l’avance à l’allumage : plus simplement, ça veut dire qu’on allume plus tard qu’on le
ferait pour avoir un rendement optimal. Ça a pour effet de faire baisser la température et la
température du mélange qui n’a pas encore brulé lors de la combustion. Par contre, l’effet négatif
est que le rendement est dégradé.
I-3-3. Choix du taux de compression
Un taux élevé est très bon pour le rendement pour les faibles charges par contre pour les
charges motrices les plus élevées, on va avoir beaucoup de cliquetis et donc un rendement mauvais
car on va être obligé de dégrader l’allumage. Si par contre on opte pour un taux de compression
faible, on va avoir un rendement plutôt mauvais sur les faibles charges mais un rendement
relativement bon sur les charges élevées.
L’idéal est donc de d’adapter le taux de compression pour chaque point de
fonctionnement.
L’entreprise française MCE-5 propose un moteur MCE-5 (de l'anglais « Multi Cycle
Engine - 5 parameters »), c’est un moteur à explosion, plus particulièrement un type de moteur à
compression variable VCR (Variable Compression Ratio).
Il s'agit d'un moteur fonctionnant sur le principe d'un moteur à allumage commandé dont
le volume de la chambre de combustion varie continûment en fonction de la charge du moteur.
Pour cela, le moteur utilise un mécanisme classique bielle-manivelle associé à des engrenages à
longue durée de vie, réalisant un piston à la cinématique parfaitement verticale, débarrassée des
contraintes radiales, principale source de frottements.
I-3-4. Principe du taux de compression
Le moteur MCE-5 est un moteur à allumage commandé, fonctionnant grâce à la

combustion du mélange air-essence selon le principe thermodynamique développée par Beau de
Rochas. Il s'agit de surcroît d'un moteur VCR (Variable Compression Ratio) dont le taux de
compression varie en fonction du régime moteur et de la charge en faisant varier le volume de la
chambre de combustion4.
Ces moteurs présentent un meilleur rendement thermodynamique en raison de

l'augmentation de pression lors de la combustion. En effet, les lois thermodynamiques démontrent

que plus la pression dans la chambre est élevée, meilleur est le rendement. Cependant, les moteurs
à allumage commandé sont sensibles au phénomène de cliquetis, si bien qu'il est impossible
d'augmenter indéfiniment la compression. Les moteurs classiques calculent le taux de compression
en fonction de l'apparition du cliquetis à pleine charge et à haut régime. Les moteurs VCR
permettent de compenser le faible taux de compression en bas régime et/ou à faible charge en
faisant varier ce taux. La puissance et le couple à bas régime s'en trouvent par conséquent améliorés
et les émissions de polluants réduits.
L'avantage du moteur MCE-5 par rapport aux autres systèmes de compression variable est
qu'il n'y a plus aucune poussée latérale sur le piston, d'où un important gain de frottements et une
usure moindre pour une meilleure fiabilité. La roue dentée faisant levier, la course du piston est le
double de la course de la tête de la bielle, permettant un vilebrequin plus compact. Le surcoût de
ce type de moteur est généralement faible à négatif selon la configuration. Néanmoins, le système
de crémaillère augmente les masses mobiles et l'inertie tandis que les efforts sur l'embiellage sont
doublés d'où d'importantes contraintes mécaniques et un doublement des pertes par frottement sur
les paliers.
I-3-5. Ajustement du taux de compression
Le taux de compression, ajusté de manière conjointe à l'avance à l'allumage et à la limite

du phénomène de cliquetis, varie de 1:7 à 1:18. Il varie de façon continue lors du fonctionnement
du moteur et varie selon les cylindres avec une précision de l'ordre de 5/100 de millimètre avec
une vitesse de changement d'une dizaine de millisecondes. Les moteurs MCE-5 sont à l'heure
actuelle les seuls à proposer un taux de compression adapté à chaque cylindre et à chaque instant.
Le choix continu du meilleur couple taux de compression/avance permet d'optimiser le rendement
à tous les régimes et à toutes les charges moteur.
Deux méthodes sont prises en compte afin de régler initialement le taux de compression.
La première consiste à mesurer la hauteur du Point Mort Haut du piston (PMH) via les puits de
bougies dans la culasse tandis que la deuxième s'effectue par la mesure du volume de la chambre
de combustion après assemblage. Cette dernière méthode présente l'avantage de pouvoir s'appuyer
sur les dimensions réelles de la chambre.
Le vérin de commande, entouré d'huile moteur, est mû par une technique toute particulière.
La pression des gaz ainsi que les inerties mises en jeu permettent le déplacement du vérin de
commande. Des culbuteurs contrôlés électroniquement engendrent le déplacement des tiges de
commandes et maintiennent ouverts ou fermés des soupapes, permettant ainsi le passage de l'huile

de part et d'autre du vérin. Les forces exercées (pressions et inerties) sur l'huile déplacent de ce fait
le vérin jusqu'à ce qu'elles se compensent de part et d'autre de ce dernier.
Principe du moteur MCE-5.

a) a
(Fig. I.20 a) et b)
À gauche, piston classique du )
moteur à combustion interne.
À droite, l'ensemble cylindre-
piston est un vérin hydraulique à double effet
dont le mouvement règle le taux de
compression dans le cylindre de gauche. En
bas, système bielle-manivelle. Les
mouvements de translation sont transformés en
rotation, et vice-versa, par des crémaillères.
b) b
)
Figure I.20. Principe du moteur MCE-5

I-4. Cycle Miller-Atkinson
Le Cycle d'Atkinson est un cycle thermodynamique utilisé dans un moteur à explosion. Il

a été découvert par James Atkinson en 1882. Ce cycle qui utilise une détente plus grande que la
compression perfectionne le rendement au prix d'une puissance plus faible. Il est utilisé dans les
voitures hybrides modernes.
I-4-1. Conception
Le moteur à cycle d'Atkinson original permettait l'admission, la compression, l'explosion

et l'échappement en un seul tour de vilebrequin. Il était conçu pour contourner les brevets d'Otto.
Du fait de la conception spécifique du vilebrequin, le taux de détente est supérieur au taux de
compression, ce qui perfectionne le rendement du moteur comparé à un cycle de Beau de Rochas
conventionnel. Quoique la conception du moteur Atkinson ne soit désormais plus qu'une curiosité,
le cycle thermodynamique avec détente prolongée retrouve aujourd'hui une certaine popularité du
fait de son meilleur rendement.
I-4-2. Cycle thermodynamique parfait
Le cycle Atkinson idéal se compose de :

✓ Compression adiabatique
✓ Apport de chaleur à volume constant.
✓ Détente adiabatique.
✓ Restitution de la chaleur à pression constante.
I-4-3. Moteur à quatre temps à cycle Atkinson
Le cycle Atkinson peut aussi faire référence à un moteur à quatre temps dans lequel la
soupape d'admission est tenue ouverte au-delà du point mort bas pour permettre l'éjection d'une
partie du mélange auparavant admis. Le taux de compression est réduit (du fait qu'une partie de
l'air est éjectée au lieu d'être comprimée) mais le taux de détente est inchangé. Ce qui veut dire
que le taux de détente est plus élevé que le taux de compression. L'objectif du cycle Atkinson est
d'abaisser tout autant qu’envisageable la pression de fin de détente, pour récupérer un maximum
d'énergie mécanique.
L'inconvénient principal d'un moteur à quatre temps à cycle Atkinson est sa puissance
réduite comparé à un cycle de Beau de Rochas classique car il admet moins d'air et par conséquent
moins de combustible.
Ce type de fonctionnement auquel on ajoute un compresseur à l'admission forme le cycle

de Miller dont e cycle thermodynamique est décrit comme suit (Fig. I.21)
1-2 : Compression isentropique.

2-3 : Absorption de chaleur isochore, la
pression augmente rapidement mais le
piston ne bouge pas encore.
3-4 : Absorption de chaleur isobare,
la combustion continue et le piston
se déplace.
4-5 : Détente isentropique.
5-6 : Dégagement de chaleur isochore.
6-1 : dégagement de chaleur isobare.
Figure I.21. Cycle d'Atkinson idéal
Différentes étapes du cycle Atkinson
✓ A) : Admission : tout se passe comme sur un moteur classique.

✓ B) : Refoulement : la soupape d'admission se ferme avec un fort retard : une partie du
mélange est donc refoulée dans la pipe d'admission (et y restera jusqu'au cycle moteur
suivant).
✓ C) : Compression : comme une partie du mélange a été refoulée, seule une fraction de la
cylindrée est comprimée.
✓ D) : Détente : les gaz de combustion sont par contre détendus sur la totalité de la course du
piston.
✓ E) : Echappement : tout se passe comme sur un moteur classique.
E
A B C D ) E
Figure I.22. Différentes étapes du cycle Atkinson

I-4-4. Différence entre le cycle Atkinson et le cycle Otto
Dans le cycle Otto la soupape d'admission s'ouvre quand le piston est au PMH et se referme
quand il est au PMB. Tandis que dans le cycle Atkinson, la soupape d'admission se ferme après le
PMB, et refoule ainsi un peu de mélange dans le collecteur d'admission. Il faut donc moins de
mélange, donc moins de carburant, pour obtenir un cycle complet.
La compression du moteur est aussi plus basse du fait que le volume d'air comprimé est
moindre.
L'inconvénient principal d'un moteur à quatre temps à cycle Atkinson est sa puissance
réduite comparé à un cycle de Beau de Rochas classique car il admet moins d'air et par conséquent
moins de combustible.
I-5 Charge stratifiée.
I-5-1. Principe.
Le principe de la charge stratifiée s’applique aux moteurs à essence à injection directe. Il

consiste à concentrer la vaporisation du carburant à proximité de la bougie et non dans l’ensemble
de la chambre de combustion.
Ce mode d’injection permet de disposer,

à proximité immédiate de la bougie, d’un
mélange suffisamment riche pour qu’il soit
inflammable, et, dans le reste du cylindre, d’un
mélange moins riche, si pauvre en carburant
qu’il ne pourrait pas être utilisé dans un moteur
traditionnel (Figure I.23). Sur un moteur à
charge stratifiée, la puissance délivrée n’est
plus contrôlée par la quantité d’air admis, mais
par la quantité d’essence injectée, comme sur
un moteur Diesel.
Figure I.23. Principe de la charge stratifiée
La charge stratifiée signifie que le mélange air/essence dans le cylindre est réparti en
plusieurs couches de richesses différentes.

Un mélange stratifié est un mélange hétérogène et structuré (organisé) globalement pauvre

à très pauvre : 0.1 ≪ 𝑅𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑒 < 0.7 (R est la richesse)
Ce mode de fonctionnement permet une réduction de la consommation du moteur qui peut

atteindre 40% lorsqu’il tourne à faible charge.
I-5-2. Coefficient d’air et richesse
Pour l’essence, le rapport qui assure une combustion totale (rapport stœchiométrique) est
d’environ 14,7 c’est-à-dire qu’il faut sensiblement 14,7 kg d’air pour brûler totalement 1 kg de
carburant.
On définit les deux coefficients suivants :

𝑚𝑎𝑖𝑟
1) : Coefficient d'air = /14.7 I.3)
𝑚𝑐𝑎𝑟𝑏𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡
𝑚𝑐𝑎𝑟𝑏𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡
2) : Richesse r=1/ = /0.068 I.4)
𝑚𝑎𝑖𝑟
✓ À la stœchiométrie
C'est-à-dire quand la combustion du mélange est totale, dans la mesure où les deux
constituants, combustible et comburant, sont présents dans un rapport bien déterminé. Un tel
mélange se nomme mélange stœchiométrique, dans ce cas on a : r = = 1
✓ Pour un mélange pauvre, c'est-à-dire quand on a :
 > 1 donc r < 1 dans ce cas le mélange contienr d′ avantage d′ air que de carburant
Un mélange riche contient moins d'air
✓ La richesse =1 autour de la bougie.

L'étincelle amorce la combustion (Zone 1).
✓ La combustion se propage ensuite
sur les couches plus pauvres et génère une faible
consommation (Zone2).
✓ La dernière couche peut être, le cas
échéant, du recyclage de gaz d'échappement
(Zone 3).
Figure I.24. Propagation de la combustion dans le cas d’une charge stratifiée

Le mode stratifié ne fonctionne qu'à faible charge et faible régime. Dès qu’une puissance
supérieure est demandée, la gestion du moteur passe en mode " mélange homogène ".
L'injection est avancée et réalisée pendant l'aspiration de l'air d'admission.
Charge Mélange
stratifiée homogène
Figure I.24. Les deux modes de fonctionnement : stratifiée et homogène
I-5-3. Avantages de la combustion stratifiée :
✓ Diminuer la consommation à faible charge

✓ Diminuer les rejets de polluants
I-6 Concept HCCI
I-6-1. Principe.
Le moteur avec le concept HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), est un

type de moteur à combustion interne dans lequel le mélange air-carburant est mélangé de la
manière la plus homogène envisageable et est comprimé assez fortement pour atteindre le point
d'auto-allumage.
Le moteur HCCI a des caractéristiques issues des deux types de combustion les plus
connues : l'allumage commandé (par une ou plusieurs bougies) d'une charge homogène étant
utilisée dans les moteurs à essence alors que l'auto-allumage d'une charge stratifiée est utilisé dans
les moteurs Diesel. Comme dans les moteurs à allumage commandé d'une charge homogène, le
carburant et l'oxydant (en général l'air) sont mélangés de manière homogène. Néanmoins, plutôt
que d'utiliser une étincelle d'origine électrique pour enflammer un point du mélange, le mélange

est comprimé pour atteindre une température et une densité assez haute pour que le mélange
s'enflamme entièrement et spontanément.
Les moteurs à charge stratifiée fonctionnent selon le même principe de compression mais
la différence est que la combustion démarre aux frontières entre l'air et le carburant injecté mais
non vaporisé.
La combustion dans le moteur HCCI commence à plusieurs lieux à la fois, ce qui résulte
en une combustion de tout le mélange air-carburant presque simultanée, il n'y a pas d'initiateur
direct de la combustion. Le moteur présente dans ce cas plus de difficulté de contrôle de la
combustion. Pourtant, les progrès des microprocesseurs et la meilleure compréhension physique
des phénomènes de combustion permettent ce contrôle au point d'arriver à des émissions
polluantes semblables à un moteur à essence, tout en ayant l'efficacité plus élevée d'un moteur
Diesel.
Les moteurs HCCI permettent d'arriver à des émissions de NOx extrêmement faibles sans
traitement post-combustion (par exemple grâce à un pot catalytique). Les hydrocarbures non-
brûlés et le monoxyde de carbone émis restent à des niveaux élevés à cause du pic de température
de combustion plus bas ; ces émissions doivent toujours être post-traitées pour garantir des
émissions en-deçà des normes en vigueur fixées par les autorités.
I-6-2. Histoire
L'origine du moteur HCCI n'est pas récente, même s'il n'a pas été tout autant utilisé que le
moteur à allumage commandé ou l'injection directe dans le moteur Diesel. Le moteur HCCI était
déjà connu avant que n'apparaisse l'allumage électronique.
I-6-3. Méthode
Un mélange de carburant et d'air s'enflamme spontanément lorsque la densité et la

température des réactifs est assez élevée. Ces deux conditions peuvent être remplies par plusieurs
moyens :
✓ Un taux de compression élevé,

✓ Un préchauffage des gaz admis,
✓ L’admission forcée par suralimentation,
✓ La recirculation des gaz d'échappement.

Une fois le mélange enflammé, la combustion se déroule particulièrement rapidement.

Quand l'auto-allumage a lieu trop tôt ou dégage trop d'énergie, la combustion est trop rapide ;
alors, les pics de pressions dans le cylindre peuvent mener à la destruction du moteur. Pour cette
raison, les moteurs HCCI fonctionnent généralement en mélange pauvre.
I-6-4. Avantages
✓ Le moteur HCCI est plus proche du cycle de Beau de Rochas parfait que le moteur à
allumage commandé,
✓ Le mélange pauvre implique un rendement plus élevé que dans le moteur à allumage
commandé,
✓ La charge homogène mène à des émissions de polluants moins élevées, les émissions
de NOx sont négligeables,
✓ L’absence de papillon évite les pertes de vannage (ou pertes par pompage).
I-6-5. Inconvénients
✓ Les pics de pression sont élevés,

✓ Il est complexe de contrôler la combustion,
✓ L’énergie est dissipée dans un temps particulièrement court,
✓ La puissance disponible est limitée,
✓ Les émissions d'hydrocarbures et de monoxyde de carbone sont élevées.
I-6-6. Contrôle de la combustion
Dans l'objectif d'une commercialisation, le contrôle précis de la combustion dans un moteur

HCCI est d'une importance majeure mais ce contrôle est plus malaisé que celui d'une combustion
classique.
Dans un moteur à essence, on utilise une étincelle pour enflammer le mélange air-
carburant. Dans un moteur diesel, la combustion commence quand le carburant est injecté dans
l'air comprimé.
Dans les deux cas, la combustion est contrôlée exactement dans le temps. Au contraire,
dans un moteur HCCI, la combustion commence quand les conditions de densité et de température
du mélange sont atteintes et il n'y a pas d'évènement initiateur contrôlable exactement.
La conception du moteur peut être faite avec pour objectif un début de combustion à un
temps précis, mais ceci n'est envisageable que pour un point de fonctionnement spécifique du

moteur, ce qui n'est pas compatible avec la volonté d'un conducteur qui souhaiterait pouvoir choisir
le couple développé par le moteur, au travers de son action sur la pédale d'accélérateur.
Afin d'arriver à contrôler le moteur HCCI de manière dynamique, c'est-à-dire de pouvoir

choisir le couple développé par le moteur, le dispositif de contrôle du moteur doit pouvoir changer
les conditions qui initient la combustion ; cela se fait grâce au contrôle du taux de compression, de
la température et de la pression des gaz admis et de la quantité de gaz recirculés.
I-7 Concept PCCI
Dans la combustion HCCI, l'air et le carburant entrent dans la chambre de combustion et

sont comprimés jusqu'au point d'auto-inflammation. Tandis que dans la combustion PCCI le
carburant est injecté en course de compression et donc nous avons l'hybride de HCCI et la
combustion diesel. Dans la combustion PCCI, nous pouvons utiliser plus EGR que dans HCCI.
PCCI est l'hybride de la combustion HCCI et diesel, a plus de contrôle sur la combustion /
allumage et le taux de dégagement de chaleur avec moins de NOx et émission de suie car la charge
prémélangée peut être contrôlée avec différents mélanges de carburant pour obtenir des résultats
optimaux.
Pour obtenir une efficacité élevée, il faut avoir une combustion CI. Les moteurs à allumage
par compression actuels utilisent du carburant diesel qui s'enflamme très rapidement après son
injection dans le cylindre avant qu'il ne se mélange à l'oxygène dans le cylindre, ce qui provoque
des suies et des NOx élevés à l'échappement. La combustion PCCI est un moyen pratique d'obtenir
de faibles émissions de NOx et de faibles suies dans les moteurs à allumage par compression. Les
émissions de NOx peuvent être réduites en réduisant la température de combustion. La formation
de suie peut être évitée si le rapport d'équivalence (rapport combustible sur oxygène rapporté au
même rapport dans les conditions stœchiométriques) est inférieur à 2 environ. La suie moteur
reflète l'équilibre entre la suie formée et la suie oxydée dans le cylindre. Dans les moteurs HCCI,
les mélanges très pauvres garantissent une faible teneur en NOx et une faible teneur en suie. En
effet, dans les moteurs HCCI, le rapport d'équivalence (charge à une vitesse donnée) augmente,
les NOx (et le dégagement de chaleur) augmentent et deviennent trop élevés. De plus, les moteurs
HCCI n'ont aucun contrôle en cours sur le phasage de la combustion.
Dans les moteurs diesel (CI pratiques). Les NOx peuvent être réduits en utilisant la vanne
EGR. Cependant, si on utilise la vanne EGR, l'oxydation de la suie est inhibée et la suie du moteur

va augmenter. En combustion CI (PCI) prémélangée, si l'injection finale, qui contrôle le phasage

de la combustion, est terminée suffisamment avant le début de la combustion (délai d'allumage
élevé), la formation de suie peut être évitée et la vanne EGR peut être utilisé pour contrôler les
NOx. La combustion PCI conventionnelle du carburant diesel n'est possible qu'à des charges très
faibles. Augmenter la pression d'injection ou réduire le l'indice de cétane du carburant facilite la
combustion PCI. (L'indice de cétane évalue la capacité d'un carburant à s'enflammer sur une
échelle de 0 à 100. Il est particulièrement important pour les moteurs Diesel où le carburant doit
s'auto-enflammer sous l'effet de la compression. Un carburant à haut indice de cétane est
caractérisé par sa facilité à s'auto-allumer. L'indice de cétane est au moteur Diesel ce que l'indice
d'octane est au moteur à essence. Toutefois, ils décrivent des qualités de carburant radicalement
opposées, adaptées au type de moteur. Si le premier décrit une capacité d'auto-inflammation
recherchée par le moteur Diesel, le second décrit une capacité de résistance à la détonation
recherchée par le moteur à essence. La définition a été posée par Wilfrid de Nercy, ingénieur chez
Shell, en 1958. On dit qu'un carburant a un indice de cétane de x, lorsque celui-ci a le même
pouvoir d'auto-inflammation qu'un mélange constitué de x% en volume de n-cétane et (100-x) %
d'alpha-méthyl naphtalène. Un additif pour carburant, le Tétranitrométhane peut améliorer
l'indice de cétane du fuel-diesel.)
En résumé, dans la combustion PCCI (ou PCI), on essaye d'obtenir les avantages de la
combustion HCCI (faible NOx, faible teneur en suie et rendement élevé) tout en conservant le
contrôle sur la phase de combustion. Le carburant et l'oxygène doivent être suffisamment
prémélangés pour obtenir ces avantages, mais ils ne doivent pas être entièrement prémélangés.
L'inhomogénéité du cylindre obtenue avec une injection tardive permet au moteur de fonctionner
dans des conditions où la combustion HCCI ne serait pas possible.

Cours MCI Approfondi-Chapitre I

Transféré par

Droits d'auteur :

Formats disponibles

Cours MCI Approfondi-Chapitre I

Transféré par

Informations du document

Description originale:

Titre original

Copyright

Formats disponibles

Partager ce document

Partager ou intégrer le document

Options de partage

Avez-vous trouvé ce document utile ?

Ce contenu est-il inapproprié ?

Droits d'auteur :

Formats disponibles

Cours MCI Approfondi-Chapitre I

Transféré par

Droits d'auteur :

Formats disponibles

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Mohamed BOUDIAF de MSILA

MOTEURS À COMBUSTION INTERNE

Dr. Amar BERKACHE

Chapitre I : Nouvelles techniques et amélioration du rendement des moteurs.

Dr. BERKACHE Amar

TABLE DES MATIÈRES

NOUVELLES TECHNIQUES ET AMELIORATION DU RENDEMENT DES MOTEURS ............. 1

I-1. Sous-dimensionnement (Downsing en Anglais) ................................................................... 1

I-1-1. L'injection directe .......................................................................................................... 2

I-1-2. L’injection indirecte ...................................................................................................... 4

I-1-3. La suralimentation (Plus de détails dans le chapitre VI) ............................................... 5

I-1-4. Courbes d'iso-consommation......................................................................................... 6

I-2 Distribution variable .............................................................................................................. 7

I-2-2. Différents types de distribution ..................................................................................... 7

I-2-3. Avantages de la distribution variable .......................................................................... 15

I-2-4. Inconvénients de la distribution variable ..................................................................... 15

I-3 Taux de compression variable ............................................................................................. 15

I-3-1. Rappels de base ........................................................................................................... 15

I-3-2. Relation entre le taux de compression et le rendement du moteur .............................. 17

I-3-3. Choix du taux de compression..................................................................................... 21

I-3-4. Principe du taux de compression ................................................................................. 21

I-3-5. Ajustement du taux de compression ............................................................................ 22

I-4. Cycle Miller-Atkinson ........................................................................................................ 24

I-4-2. Cycle thermodynamique parfait .................................................................................. 24

I-4-3. Moteur à quatre temps à cycle Atkinson ..................................................................... 24

I-4-4. Différence entre le cycle Atkinson et le cycle Otto ..................................................... 26

I-5 Charge stratifiée. .................................................................................................................. 26

I-5-1. Principe. ....................................................................................................................... 26

I-5-2. Coefficient d’air et richesse ......................................................................................... 27

I-5-3. Avantages de la combustion stratifiée : ....................................................................... 28

Dr. BERKACHE Amar

I-6 Concept HCCI...................................................................................................................... 28

I-6-1. Principe. ....................................................................................................................... 28

I-6-2. Histoire ........................................................................................................................ 29

I-6-3. Méthode ....................................................................................................................... 29

I-6-4. Avantages .................................................................................................................... 30

I-6-5. Inconvénients ............................................................................................................... 30

I-6-6. Contrôle de la combustion ........................................................................................... 30

I-7 Concept PCCI ...................................................................................................................... 31

TECHNIQUES D'INJECTION D'ESSENCE ....................................................................................... 33

II-1. Gestion électronique et diagnostique moteur .................................................................... 33

II-1-1. Notion de richesse d'un mélange carburant ................................................................ 33

II-1-2. Analyse de la courbe du rapport Lambda .................................................................. 34

II-1-3. Mesure de la richesse ................................................................................................ 35

II-2. Système d'injection ............................................................................................................ 35

II-2-1. Principe. ..................................................................................................................... 35

II-2-2. Avantages du système d'injection .............................................................................. 35

II-2-3. Différents systèmes d'injection................................................................................... 35

II-2-4. Principe de l'injection K-Jetronic (1974-1988). ......................................................... 36

II-2-5. Principe de l'injection L-Jetronic (1974-1985)........................................................... 38

II-2-6. Principe de l'injection D-Jetronic (1967-1976) sur les voiture DS Citroën................ 40

II-7. Fonctionnement du circuit d’air et du circuit d’essence. ............................................... 42

CHAPITRE III ...................................................................................................................................... 45

MODELISATION DE LA COMBUSTION DANS LES MOTEURS................................................. 45

III-1. Introduction ...................................................................................................................... 45

III-2. Modèle thermodynamique 1 zone .................................................................................... 46

III-3. Modèle Thermodynamique 2 zones ................................................................................. 49