Principe général de fonctionnement d'un moteur 2 temps
Comme la plupart des moteurs thermiques modernes, notre moteur se base sur un système bielle-manivelle. La bielle entraînée par le mouvement linéaire alternatif du piston provoque la rotation continue du vilebrequin. Le système bielle-manivelle appliqué à notre moteur 2 temps peut être représenté ainsi par des schémas cinématiques :
La mobilité du mécanisme :
mu (mobilité utile du sytème) = 1
mi (mobilité interne du système) = 0
$$ m = mu + mi$$
$$ m = 1$$
Le degré d'hypertstatisme de ce système manivelle-bielle-piston s'établit grâce aux calculs suivants :
$$h = m +\sum Ns -6(n-1)$$
h est le degré d'hyperstatisme
Ns est le nombre d'inconnues statiques
n est le nombre de classes d'équivalences cinématiques (CEC)
m est la mobilité du mécanisme
Nous avons modélisé notre système en nous basant sur ce que nous avons observé en le démontant. Nous avons donc 3 liaisons pivot glissant (Ns = 4) et une liaison pivot (Ns = 5). Il y a 4 classes d'équivalences cinématiques.
$$h = 1 +(pivot(5)+3×pivot \ glissant (4)) -6(4-1)$$
$$h = 1 +17 -18$$
$$h = 0$$
Le système modélisé ainsi a un degré d'hyperstatisme de 0, on dit qu'il est isostatique.
Le moteur 2 temps est un type de moteur thermique dont le cycle de combustion se produit en 2 mouvements linéaires du piston dans le cylindre, d’où l’appellation « 2 temps ». Comme un moteur à 4 temps, il comprend 4 phases : admission, compression, combustion-détente et échappement.
Il est nécessaire de poser certains termes et conventions utilisés ci-après afin d’appréhender sereinement l’explication d’un cycle de combustion :
Le moteur étudié ici est un moteur 2 temps monocylindre de 40cm3 refroidi par air. Il possède 4 lumières : 2 de transfert, 1 d'admission et 1 d'échappement. Le moteur possède un carburateur à membrane fonctionnant avec un mélange SP98-huile (96-4%).
Un cycle de combustion peut se décomposer ainsi :
Premier mouvement :
On commence notre cycle lorsque le piston est à son point le plus bas. Lors de sa descente il a comprimé le mélange situé dans le carter et l’a fait monter vers le haut du cylindre (par la lumière de transfert), provoquant par la même occasion l’échappement des gaz brûlés lors de l’explosion précédente (par la lumière d’échappement).
Par inertie le vilebrequin entraîne alors la bielle qui entraîne le piston vers le haut, ce dernier commence alors à remonter dans le cylindre en fermant successivement les lumières de transfert et d’échappement tout en comprimant le mélange.
Second mouvement :
Le piston a continué sa montée et est donc à son point le plus haut, dans la chambre de combustion, en étant positionné ainsi, il libère la lumière d’admission liée au carburateur et permet au mélange air-essence de rentrer dans le carter sous le piston.
Il amorce ensuite sa redescente toujours grâce à l’inertie du vilebrequin. Lorsque la bielle et le maneton forme un angle d’environ 90°, un arc électrique est créé par la bougie d’allumage grâce à la bobine et au volant magnétique lié au vilebrequin qui ont créé un courant électrique. Cet arc électrique enflamme le mélange et provoque une explosion contrôlée.
Le mélange brûlé produit des gaz qui en se détendant provoquent la descente du piston.
Lors de cette descente, les lumières d’échappement et de transfert sont à nouveau ouvertes et la lumière d’admission est refermée. Le piston finit sa descente et est alors à son point le plus bas, un cycle de combustion vient d’avoir lieu.
Ce cycle de combustion se produit près de 130 fois par seconde à la vitesse maximale de notre moteur soit 8000 tours par minute. Grâce à cette simplicité de fonctionnement, les moteurs 2 temps fonctionnant comme le nôtre sont aujourd'hui extrêmement répandus dans le monde. Cependant ils ne sont pas utilisés dans tous les domaines car ils font face aux moteurs 4 temps.
Avantages/inconvénients d'un moteur 2 temps face à un moteur 4 temps :
Avantages :
- à cylindrée égale, un moteur 2T est 1.5 à 1.6 fois plus puissant qu'un moteur 4T
- poids moindre à puissance égale
- plus grand régularité du couple moteur
- meilleur ralenti en charge
- moins de pertes de calories par les parois, les gaz chauds ne restant que pendant une seule course du piston
- pas de réglage des soupapes à effectuer puisqu’il n’y en a pas
-simplicité de construction et d’entretien, robuste, bas coût
Inconvénients :
- rendement moins bon donc à consommation égale un moteur 4T donnera plus de puissance
- pollue plus notamment parce qu'une partie du mélange essence-air n’est pas brûlé
- certaines pièces s’usent vite (le piston subit 2 fois plus d’explosion que le piston d’un moteur 4T, le(s) segment(s) frotte(nt) contre les lumières ce qui peut provoquer sa/leurs casse(s) surtout à haut régime)
- s’encrasse vite
- fonctionnement bruyant
On peut donc comprendre pourquoi un moteur 2 temps ne sera généralement pas utilisé dans les mêmes domaines qu'un moteur 4 temps, chacun ayant ses particularités.
Analyse statique
Après avoir vu, en cours de mécanique, une méthode d’analyse graphique permettant de trouver la vitesse linéaire d’un piston à un instant t, nous avons décidé d’appliquer cela à notre moteur.
Pour cela, il a donc fallu modéliser, sur SolidWorks, un schéma du système comprenant la bielle, la manivelle (vilebrequin), et le piston, tout cela mis aux dimensions réelles de notre moteur.
Concernant la vitesse de rotation, nous avons choisi de faire notre étude à 8000 tr/min, régime max estimé au début du projet. En modifiant l’angle entre la manivelle et l’horizontale, et en appliquant la méthode d’équiprojectivité, nous avons donc pu trouver la vitesse linéaire du piston pour chaque valeur d’angle.
On trouve donc une vitesse maximale de 13.69 m/s. Par dérivation graphique, nous avons pu calculer l’accélération du piston. Comme mis en valeur dans le tableau, on trouve une accélération maximum de 14 208 m/s², soit quasiment 1500g. Ce résultat pourrait paraître extrême, mais il semble pertinent puisque cette accélération est subie par le piston le temps de quelques millièmes de seconde.
A partir de ce tableau, on peut donc tracer la courbe d’évolution de la vitesse linéaire en fonction du temps.
On constate ainsi que cette courbe n’est pas une sinusoïde parfaite, ce qui induit que la vitesse moyenne n’est pas nulle. Cette affirmation est confirmée par le calcul de la vitesse moyenne réalisé dans le tableau.
Cette analyse nous a permis de mieux constater le comportement du piston lors de la rotation du moteur.