Moteur à deux temps

Un moteur à deux temps (ou cycle à deux temps ) est un type de moteur à combustion interne qui complète un cycle de puissance avec deux coups du piston (un mouvement de haut en bas et un mouvement de bas en haut) en un tour du vilebrequin. (Un moteur à quatre temps nécessite quatre coups du piston pour compléter un cycle de puissance, en deux tours du vilebrequin.) Dans un moteur à deux temps, la fin de la course de combustion et le début de la course de compression se produisent simultanément, les fonctions d'admission et d'échappement (ou de balayage ) se produisant en même temps.

Les moteurs à deux temps ont souvent un rapport puissance/poids plus élevé qu'un moteur à quatre temps, car leur temps de combustion se produit deux fois plus souvent. Les moteurs à deux temps peuvent également avoir moins de pièces mobiles , et donc être moins chers à fabriquer et peser moins. Dans les pays et les régions où la réglementation sur les émissions est stricte, les moteurs à deux temps ont été progressivement abandonnés dans les véhicules automobiles et les motos. Dans les régions où la réglementation est moins stricte, les moteurs à deux temps de petite cylindrée restent populaires dans les cyclomoteurs et les motos. Ils sont également utilisés dans les outils électriques tels que les tronçonneuses et les souffleurs de feuilles .

Le premier moteur à deux temps commercial impliquant la compression du cylindre est attribué à l'ingénieur écossais Dugald Clerk , qui a breveté sa conception en 1881. Cependant, contrairement à la plupart des moteurs à deux temps ultérieurs, le sien avait un cylindre de charge séparé. Le moteur à balayage du carter , utilisant la zone située sous le piston comme pompe de charge, est généralement attribué à l'Anglais Joseph Day . Le 31 décembre 1879, l'inventeur allemand Karl Benz a produit un moteur à gaz à deux temps, pour lequel il a reçu un brevet en 1880 en Allemagne. Le premier moteur à deux temps vraiment pratique est attribué au Yorkshireman Alfred Angas Scott , qui a commencé à produire des motos bicylindres refroidies par eau en 1908.

Les moteurs à essence à deux temps à allumage par étincelle électrique sont particulièrement utiles dans les applications légères ou portables telles que les tronçonneuses et les motos. Cependant, lorsque le poids et la taille ne sont pas un problème, le potentiel de rendement thermodynamique élevé du cycle le rend idéal pour les moteurs diesel à allumage par compression fonctionnant dans des applications de grande taille et peu sensibles au poids, telles que la propulsion marine , les locomotives ferroviaires et la production d'électricité . Dans un moteur à deux temps, les gaz d'échappement transfèrent moins de chaleur au système de refroidissement qu'un moteur à quatre temps, ce qui signifie plus d'énergie pour entraîner le piston et, le cas échéant, un turbocompresseur.

Les moteurs à deux temps à compression de carter, comme les petits moteurs à essence courants, sont lubrifiés par un mélange d'essence dans un système à perte totale . L'huile est mélangée au préalable à l'essence, dans un rapport carburant/huile d'environ 32:1. Cette huile forme ensuite des émissions, soit en étant brûlée dans le moteur, soit sous forme de gouttelettes dans l'échappement, ce qui entraîne historiquement plus d'émissions d'échappement, en particulier d'hydrocarbures, que les moteurs à quatre temps de puissance comparable. Le temps d'ouverture combiné des orifices d'admission et d'échappement de certains modèles à deux temps peut également permettre à une certaine quantité de vapeurs de carburant non brûlées de sortir dans le flux d'échappement. Les températures de combustion élevées des petits moteurs refroidis par air peuvent également produire des émissions _de NOx .

Les moteurs à essence à deux temps sont privilégiés lorsque la simplicité mécanique, la légèreté et un rapport puissance/poids élevé sont des priorités de conception. En mélangeant l'huile au carburant, ils peuvent fonctionner dans n'importe quelle orientation car le réservoir d'huile ne dépend pas de la gravité.

Un certain nombre de grands constructeurs automobiles ont utilisé des moteurs à deux temps dans le passé, notamment le suédois Saab , les constructeurs allemands DKW , Auto-Union , VEB Sachsenring Automobilwerke Zwickau , VEB Automobilwerk Eisenach et VEB Fahrzeug- und Jagdwaffenwerk , et les constructeurs polonais FSO et FSM . Les constructeurs japonais Suzuki et Subaru ont fait de même dans les années 1970. La production de voitures à deux temps a pris fin dans les années 1980 à l'Ouest, en raison d' une réglementation de plus en plus stricte sur la pollution de l'air . du bloc de l'Est ont continué jusqu'en 1991 environ, avec la Trabant et la Wartburg en Allemagne de l'Est.

Les moteurs à deux temps sont encore utilisés dans de nombreuses applications de propulsion de petite taille, comme les moteurs hors-bord , les petites motos tout -terrain , les cyclomoteurs , les scooters , les vélos motorisés , les tuk-tuks , les motoneiges , les karts , les avions ultralégers et les modèles réduits d'avions. Dans les pays développés en particulier, les réglementations antipollution ont entraîné la disparition progressive de leur utilisation pour bon nombre de ces applications. Honda , par exemple, a cessé de vendre des motos tout-terrain à deux temps aux États-Unis en 2007, après avoir abandonné les modèles routiers bien plus tôt.

En raison de leur rapport puissance/poids élevé et de leur capacité à être utilisés dans n'importe quelle orientation, les moteurs à deux temps sont courants dans les outils électriques portatifs d'extérieur, notamment les souffleurs de feuilles , les tronçonneuses et les coupe-bordures .

Les moteurs diesel à deux temps se trouvent principalement dans les grandes applications industrielles et marines, ainsi que dans certains camions et machines lourdes.

Bien que les principes restent les mêmes, les détails mécaniques des différents moteurs à deux temps diffèrent selon le type. Les types de conception varient en fonction de la méthode d'introduction de la charge dans le cylindre, de la méthode de balayage du cylindre (échange des gaz d'échappement brûlés contre un mélange frais) et de la méthode d'échappement du cylindre.

Le port de piston est le plus simple des modèles et le plus courant dans les petits moteurs à deux temps. Toutes les fonctions sont contrôlées uniquement par le piston qui recouvre et découvre les ports lorsqu'il monte et descend dans le cylindre. Dans les années 1970, Yamaha a élaboré certains principes de base pour ce système. Ils ont découvert qu'en général, l'élargissement d'un port d'échappement augmente la puissance du même montant que l'élévation du port, mais la bande de puissance ne se rétrécit pas comme elle le fait lorsque le port est relevé. Cependant, il existe une limite mécanique à la largeur d'un seul port d'échappement, à environ 62 % du diamètre d'alésage pour une durée de vie raisonnable des segments de piston. Au-delà, les segments de piston se gonflent dans le port d'échappement et s'usent rapidement. Une largeur maximale de 70 % de l'alésage est possible dans les moteurs de course, où les segments sont changés toutes les quelques courses. La durée d'admission est comprise entre 120 et 160°. Le temps de transfert est fixé à un minimum de 26°. La forte impulsion à basse pression d'une chambre d'expansion à deux temps de course peut faire chuter la pression à -7 psi lorsque le piston est au point mort bas et que les ports de transfert sont presque complètement ouverts. L'une des raisons de la consommation élevée de carburant dans les deux temps est qu'une partie du mélange air-carburant sous pression entrant est forcée à traverser le haut du piston, où elle a une action de refroidissement, et directement vers le tuyau d'échappement. Une chambre d'expansion avec une forte impulsion inverse arrête ce flux sortant.

Une différence fondamentale par rapport aux moteurs à quatre temps classiques est que le carter du deux temps est scellé et fait partie du processus d'induction dans les moteurs à essence et à bulbe chaud . Les moteurs diesel à deux temps ajoutent souvent un compresseur Roots ou une pompe à piston pour le balayage .

La soupape à clapet est une forme simple mais très efficace de clapet anti-retour généralement installée dans le conduit d'admission de l'orifice à piston. Elle permet une admission asymétrique de la charge de carburant, améliorant la puissance et l'économie, tout en élargissant la plage de puissance. Ces soupapes sont largement utilisées dans les moteurs de motos, de VTT et de hors-bord marins.

La voie d'admission est ouverte et fermée par un élément rotatif. Un type familier que l'on voit parfois sur les petites motos est un disque fendu fixé au vilebrequin , qui recouvre et découvre une ouverture à l'extrémité du carter, permettant à la charge d'entrer pendant une partie du cycle (appelé soupape à disque).

Une autre forme de soupape d'admission rotative utilisée sur les moteurs à deux temps utilise deux éléments cylindriques avec des découpes appropriées disposées de manière à tourner l'un dans l'autre - le tuyau d'admission n'ayant de passage vers le carter que lorsque les deux découpes coïncident. Le vilebrequin lui-même peut constituer l'un des éléments, comme dans la plupart des moteurs à bougies de préchauffage. Dans une autre version, le disque de vilebrequin est disposé de manière à être ajusté avec un jeu serré dans le carter et est pourvu d'une découpe qui s'aligne avec un passage d'admission dans la paroi du carter au moment approprié, comme dans les scooters Vespa .

L'avantage d'une soupape rotative est qu'elle permet de réaliser un calage d'admission asymétrique du moteur à deux temps, ce qui n'est pas possible avec les moteurs à pistons. Le calage d'admission du moteur à pistons s'ouvre et se ferme avant et après le point mort haut au même angle de vilebrequin, ce qui le rend symétrique, tandis que la soupape rotative permet à l'ouverture et à la fermeture de commencer plus tôt.

Les moteurs à soupapes rotatives peuvent être conçus pour fournir de la puissance sur une plage de vitesses plus large ou une puissance plus élevée sur une plage de vitesses plus étroite qu'un moteur à pistons ou à clapets. Lorsqu'une partie de la soupape rotative est une partie du carter lui-même, il est particulièrement important qu'aucune usure ne se produise.

Dans un moteur à flux croisés, les orifices de transfert et d'échappement se trouvent sur les côtés opposés du cylindre, et un déflecteur sur le dessus du piston dirige la charge d'admission fraîche dans la partie supérieure du cylindre, poussant les gaz d'échappement résiduels vers l'autre côté du déflecteur et hors de l'orifice d'échappement. Le déflecteur augmente le poids du piston et la surface exposée, et le fait qu'il rend le refroidissement du piston et l'obtention d'une forme de chambre de combustion efficace plus difficiles est la raison pour laquelle cette conception a été largement remplacée par le balayage uniflow après les années 1960, en particulier pour les motos, mais pour les moteurs plus petits ou plus lents utilisant l'injection directe, le piston déflecteur peut toujours être une approche acceptable.

Cette méthode de balayage utilise des orifices de transfert soigneusement formés et positionnés pour diriger le flux de mélange frais vers la chambre de combustion à son entrée dans le cylindre. Le mélange carburant/air frappe la culasse , puis suit la courbure de la chambre de combustion, puis est dévié vers le bas.

Cela empêche non seulement le mélange air/carburant de sortir directement de l'orifice d'échappement, mais crée également une turbulence tourbillonnante qui améliore l'efficacité de la combustion , la puissance et l'économie. En général, un déflecteur de piston n'est pas nécessaire, cette approche présente donc un avantage certain par rapport au schéma à flux croisé (ci-dessus).

Souvent appelé « Schnuerle » (ou « Schnürle »), du nom d'Adolf Schnürle, l'inventeur allemand d'une forme précoce au milieu des années 1920, il a été largement adopté en Allemagne dans les années 1930 et s'est répandu plus loin après la Seconde Guerre mondiale .

Le balayage en boucle est le type de transfert de mélange air/carburant le plus courant utilisé sur les moteurs à deux temps modernes. Suzuki a été l'un des premiers constructeurs hors d'Europe à adopter les moteurs à deux temps à balayage en boucle. Cette fonction opérationnelle a été utilisée en conjonction avec l'échappement à chambre d'expansion développé par le fabricant de motos allemand MZ et Walter Kaaden.

Le balayage en boucle, les soupapes à disque et les chambres d'expansion ont fonctionné de manière très coordonnée pour augmenter considérablement la puissance des moteurs à deux temps, en particulier ceux des constructeurs japonais Suzuki, Yamaha et Kawasaki. Suzuki et Yamaha ont connu le succès en Grand Prix moto dans les années 1960 en grande partie grâce à la puissance accrue offerte par le balayage en boucle.

Un autre avantage du balayage en boucle était que le piston pouvait être presque plat ou légèrement bombé, ce qui lui permettait d'être sensiblement plus léger et plus résistant, et donc de tolérer des régimes moteur plus élevés. Le piston à « sommet plat » a également de meilleures propriétés thermiques et est moins sujet à un échauffement irrégulier, à une dilatation, à des grippages, à des changements dimensionnels et à des pertes de compression.

SAAB a construit des moteurs à trois cylindres de 750 et 850 cm3 basés sur un modèle DKW qui s'est avéré assez efficace en utilisant la charge en boucle. Le SAAB 92 d'origine avait un moteur à deux cylindres d'une efficacité relativement faible. À vitesse de croisière, le blocage des orifices d'échappement par ondes réfléchies se produisait à une fréquence trop faible. L'utilisation du collecteur d'échappement asymétrique à trois orifices utilisé dans le même moteur DKW a amélioré la consommation de carburant.

Le moteur standard de 750 cm3 produisait de 36 à 42 ch, selon l'année du modèle. La variante Monte Carlo Rally, de 750 cm3 (avec un vilebrequin rempli pour une compression de base plus élevée), générait 65 ch. Une version de 850 cm3 était disponible dans la SAAB Sport de 1966 (un modèle de finition standard par rapport à la finition de luxe de la Monte Carlo). La compression de base représente une partie du taux de compression global d'un moteur à deux temps. Des travaux publiés à la SAE en 2012 indiquent que le balayage en boucle est dans toutes les circonstances plus efficace que le balayage à flux transversal.

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  Animation du moteur diesel à deux temps à flux unique
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  Schéma de flux de balayage Uniflow

Dans un moteur à flux unique, le mélange, ou « l'air de suralimentation » dans le cas d'un moteur diesel, entre à une extrémité du cylindre sous contrôle du piston et les gaz d'échappement sortent à l'autre extrémité sous contrôle d'une soupape d'échappement ou d'un piston. Le flux de gaz de balayage se fait donc dans un seul sens, d'où le nom de flux unique.

La conception utilisant des soupapes d'échappement est courante dans les moteurs à deux temps sur route, hors route et stationnaires ( Detroit Diesel ), certains petits moteurs marins à deux temps ( Gray Marine Motor Company , qui a adapté le Detroit Diesel Series 71 pour une utilisation marine ), certaines locomotives diesel à deux temps de chemin de fer ( Electro-Motive Diesel ) et les gros moteurs marins à deux temps à propulsion principale ( Wärtsilä ). Les types à orifices sont représentés par la conception à pistons opposés dans laquelle deux pistons se trouvent dans chaque cylindre, travaillant dans des directions opposées comme le Junkers Jumo 205 et le Napier Deltic . à simple piston , autrefois populaire , entre dans cette catégorie, étant en fait un uniflow plié. Avec un calage d'échappement à angle avancé, les moteurs uniflow peuvent être suralimentés avec un ventilateur entraîné par vilebrequin, soit à piston, soit de type Roots.

Le piston de ce moteur est en forme de « chapeau haut de forme » ; la partie supérieure forme le cylindre régulier et la partie inférieure assure une fonction de récupération. Les unités fonctionnent par paires, la moitié inférieure d'un piston chargeant une chambre de combustion adjacente.

La partie supérieure du piston repose toujours sur une lubrification à perte totale, mais les autres pièces du moteur sont lubrifiées par carter, ce qui présente des avantages en termes de propreté et de fiabilité. La masse du piston n'est que d'environ 20 % supérieure à celle d'un piston de moteur à balayage en boucle, car l'épaisseur des jupes peut être inférieure.

De nombreux moteurs à deux temps modernes utilisent un système de soupapes de puissance . Les soupapes sont normalement situées dans ou autour des orifices d'échappement. Elles fonctionnent de deux manières : soit elles modifient l'orifice d'échappement en fermant la partie supérieure de l'orifice, ce qui modifie le calage de l'orifice, comme les systèmes Rotax RAVE, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Kawasaki KIPS, Cagiva CTS ou Suzuki AETC, soit en modifiant le volume de l'échappement, ce qui modifie la fréquence de résonance de la chambre d'expansion , comme le système Suzuki SAEC et Honda V-TACS. Le résultat est un moteur avec une meilleure puissance à bas régime sans sacrifier la puissance à haut régime. Cependant, comme les soupapes de puissance se trouvent dans le flux de gaz chauds, elles nécessitent un entretien régulier pour bien fonctionner.

L'injection directe présente des avantages considérables dans les moteurs à deux temps. Dans les deux temps à carburateur, le problème majeur est qu'une partie du mélange air/carburant sort directement, sans être brûlée, par l'orifice d'échappement, et l'injection directe élimine efficacement ce problème. Deux systèmes sont utilisés : l'injection assistée par air à basse pression et l'injection à haute pression.

Étant donné que le carburant ne passe pas par le carter, une source de lubrification distincte est nécessaire.

Pour les besoins de cette discussion, il est commode de penser en termes de moto, où le tuyau d'échappement est orienté vers le flux d'air de refroidissement, et le vilebrequin tourne généralement dans le même axe et dans le même sens que les roues, c'est-à-dire « vers l'avant ». Certaines des considérations évoquées ici s'appliquent aux moteurs à quatre temps (qui ne peuvent pas inverser leur sens de rotation sans modification considérable), dont presque tous tournent également vers l'avant. Il est également utile de noter que les faces « avant » et « arrière » du piston sont respectivement les côtés de l'orifice d'échappement et de l'orifice d'admission de celui-ci, et ne sont pas liées au haut ou au bas du piston.

Les moteurs à essence à deux temps classiques peuvent tourner en marche arrière pendant de courtes périodes et sous une charge légère sans problème, et cela a été utilisé pour fournir une fonction de marche arrière dans les microvoitures , telles que la Messerschmitt KR200 , qui n'avaient pas de marche arrière. Lorsque le véhicule est équipé d'un démarrage électrique, le moteur est éteint et redémarré en marche arrière en tournant la clé dans la direction opposée. Les voiturettes de golf à deux temps ont utilisé un système similaire. Les magnétos à volant d'inertie traditionnels (utilisant des points de rupture de contact, mais pas de bobine externe) fonctionnaient aussi bien en marche arrière car la came contrôlant les points est symétrique, rompant le contact avant le point mort haut aussi bien qu'en marche avant ou arrière. Les moteurs à clapets fonctionnent en marche arrière aussi bien que les moteurs à pistons contrôlés par des orifices, bien que les moteurs à soupapes rotatives aient un calage d'admission asymétrique et ne fonctionnent pas très bien.

Il existe de sérieux inconvénients à faire tourner de nombreux moteurs en marche arrière sous charge pendant une durée quelconque, et certaines de ces raisons sont générales et s'appliquent aussi bien aux moteurs à deux temps qu'à quatre temps. Cet inconvénient est accepté dans la plupart des cas où le coût, le poids et la taille sont des considérations majeures. Le problème vient du fait qu'en marche avant, la face de poussée principale du piston se trouve sur la face arrière du cylindre, qui, dans un moteur à deux temps en particulier, est la partie la plus froide et la mieux lubrifiée. La face avant du piston dans un moteur à coffre est moins bien adaptée pour être la face de poussée principale, car elle recouvre et découvre l'orifice d'échappement dans le cylindre, la partie la plus chaude du moteur, où la lubrification du piston est la plus marginale. La face avant du piston est également plus vulnérable car l'orifice d'échappement, le plus grand du moteur, se trouve dans la paroi avant du cylindre. Les jupes et les segments de piston risquent d'être extrudés dans cet orifice, donc les faire appuyer plus fort sur la paroi opposée (où se trouvent uniquement les orifices de transfert dans un moteur à flux croisés) est toujours la meilleure et le support est bon. Dans certains moteurs, la petite extrémité est décalée pour réduire la poussée dans le sens de rotation prévu et la face avant du piston a été rendue plus fine et plus légère pour compenser, mais lors du fonctionnement en marche arrière, cette face avant plus faible subit une contrainte mécanique accrue à laquelle elle n'a pas été conçue pour résister. Cela peut être évité en utilisant des traverses et également en utilisant des paliers de butée pour isoler le moteur des charges d'extrémité.

Les gros moteurs diesel à deux temps des navires sont parfois conçus pour être réversibles. Comme les moteurs à quatre temps des navires (dont certains sont également réversibles), ils utilisent des soupapes à commande mécanique et nécessitent donc des mécanismes d'arbre à cames supplémentaires. Ces moteurs utilisent des culasses pour éliminer la poussée latérale sur le piston et isoler l'espace sous le piston du carter.

En plus d'autres considérations, la pompe à huile d'un moteur à deux temps moderne peut ne pas fonctionner en marche arrière, auquel cas le moteur souffre d'un manque d'huile en peu de temps. Faire tourner un moteur de moto en marche arrière est relativement facile à initier et, dans de rares cas, peut être déclenché par un retour de flamme. Ce n'est pas conseillé.

Les moteurs d'avions miniatures avec clapets peuvent être montés en configuration tracteur ou propulseur sans avoir à changer l'hélice. Ces moteurs sont à allumage par compression, donc aucun problème de calage de l'allumage et peu de différence entre la marche avant et la marche arrière sont constatées.