Contrairement au moteur Diesel, le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé ne s'enflamme pas spontanément, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par la bougie d'allumage. Le moteur à allumage commandé est donc équipé d'un système complet d'allumage, composé d'une bougie, provoquant l'arc électrique enflammant les gaz dans la chambre de combustion, d'une bobine, qui sert à générer les hautes tensions nécessaire à la création de l'étincelle et d'un système de commande de l'allumage (rupteur ou système électronique).
Combustion
Généralités
La combustion du mélange air-essence dans un moteur à combustion interne est une transformation chimique, une oxydation vive, du carburant et du dioxygène. L'octane est généralement utilisée comme molécule permettant de décrire une combustion de ce type. L'équation générale en tout point de l'espace de la combustion est alors fourni par l'équation suivante :
Pour être plus précis dans l'estimation de la réaction réelle, on prend les nombres molaires réels de l'analyse chimique du carburant. Le rapport théorique idéal air/essence pour le moteur à explosion est de 14,7:1 soit 14,7 parts d'air pour 1 part de carburant. On parle alors de mélange stœchiométrique.
Il est important de préciser que cette équation suppose que le fluide est le même en tout de point de l'espace, ce qui n'est évidemment pas le cas. Il est impossible de modéliser complètement la réaction de combustion ayant lieu dans la chambre étant donné qu'il s'agit d'une combustion intermittente, i.e. qui dépend du temps, de la température et de la turbulence du phénomène. Une analyse informatique découpant le problème en période d'une microseconde est néanmoins capable de tenir compte de la température et du temps mais n'est pas capable de rendre compte du phénomène de turbulence étant donné que le fluide s'en trouve modifier en tout point de l'espace.
Auto-inflammation
Étant donné que le point d'auto-inflammation de l'essence, c'est à dire la température à laquelle l'essence s'enflamme spontanément sans l'apport d'une étincelle, est supérieure à la température de vaporisation, et qu'il s'agit d'un liquide volatil, l'essence peut être aisément injecter à l'air pour former un « mélange pratiquement homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné ». Pour réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation, proche de 380°C.
Un délai d'auto-inflammation, c'est à dire la durée durant laquelle les conditions de combustions sont optimales avant d'atteindre l'auto-inflammation, est généralement défini. Il est important que le PMH soit atteint durant ce délai engendrant dans le cas contraire, un phénomène de cliquetis. Une étude sur une machine à compression rapide permet d'obtenir le délai τ en fonction de la pression P, de la température T, et de constantes A, n et B dépendant de la composition de l'essence.
Circuit d'allumage
Allumage électromécanique
L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'un rupteur permettant de réaliser des coupures intermittentes de courant, alimentant ainsi à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeur Delco. L'ensemble rupteur-distributeur est dénommée allumeur. Le rupteur et le distributeur sont entrainés par un rotor, lui même lié à l'arbre à came. Dans les années 1970, le rupteur est remplacé par un transistor augmentant la fiabilité de l'allumage.
L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'une dynamo ou d'un alternateur, entrainé par le moteur. La batterie permet de fournir de façon continu, une basse tension de 12 volts dénommé « courant primaire », que la bobine d'allumage transforme en hautes tensions, proches de 6 000 à 25 000 V. L'énergie est en effet accumulée pendant un laps de temps avant de se décharger sous hautes tensions. Un condensateur est placé en parallèle sur le circuit primaire permet de réduire le temps de rupture en augmentant la tension dans le circuit secondaire. Enfin, l'élément principal de l'allumage est la bougie d'allumage formée d'électrodes entre lesquelles l'étincelle jaillit.
Allumage électronique
L'allumage électronique est actuellement la solution technique préférée étant donné qu'elle est plus perforante et plus précise que l'allumage électromécanique. Les moteurs disposent d'une bobine par bougie, l'allumage ne se faisant que lorsque c'est nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard des dents du volant d'embrayage permet de déterminer le régime moteur. La charge est quant à elle calculé en considérant la pression absolue, mesurée par un capteur piézo-résistif, régnant dans la tubulure d'admission. Les données régime et charge sont ensuite traitées par le calculateur qui défini l'angle d'allumage optimal grâce à une cartographie prédéfinie et entrée en mémoire.
Avance à l'allumage
Principe
Lors du déclenchement de l'étincelle par la bougie d'allumage, seule une petite fraction du carburant est immédiatement brulée. La combustion, qui se propage ensuite en front de flamme par couches concentriques, grâce à la conductivité thermique du mélange, possède une vitesse de propagation et met un certain temps à parcourir la chambre de combustion. La vitesse de propagation dépend de l'enceinte de combustion et des caractéristiques physiques du mélange. Elle croit avec la température du carburant mais diminue lors que la pression augmente
Il est ainsi important de déclencher l'étincelle avant que le piston n'atteigne le point mort haut (PMH) sous peine de rompre des éléments moteurs. L'avance à allumage est donc la différence entre le moment où l'étincelle est déclenchée et celui où le piston atteint son PMH. Cette avance peut être quantifié en temps mais il est plus pertinent de considérer l'avance en terme d'angle de la bielle par rapport à la normale à la tête du piston. L'avance à l'allumage de base sur les automobiles est d'environ 10°.
Réglage
Les avances à l'allumage les pus favorables, dénommés généralement avances optimales, sont celles pour lesquelles le couple et/ou le rendement sont les meilleurs. Plus le moteur tourne vite, plus il faut augmenter l'avance. Lorsque l'avance est trop faible, le moteur ne fonctionne pas correctement, l'accélération est « creuse » et faible ; on parle de retard à l'allumage. En cas de forte charge demandée au moteur, l'allumage doit être à l'inverse, déclenché plus tard. C'est pourquoi il est fréquent d'ajouter un système à dépression pour modifier l'avance.
θ désigne l'avance à l'allumage et n le nombre de tours par minute.
Historiquement, la commande d'avance était manuelle (levier au guidon des motos Norton, delco au tableau de bord sur les Bugatti, etc.). Par la suite, elle fut généralement assurée par un mécanisme centrifuge. De nos jours, c'est un calculateur électronique qui gère l'allumage et donc l'avance : à l'aide d'un capteur de PMH et d'un dispositif indiquant la charge instantanée du moteur.
Afin de connaitre l'avance à l'allumage, une lampe stroboscopique est branchée sur le contacteur de la bougie d'allumage. Un flash lumineux est émis lors du déclenchement de l'étincelle ce qui provoque, en raison de la vitesse de rotation du moteur permettant de mesurer l'avance par effet stroboscopique.
Pollution
L'avance à l'allumage, en raison d'une combustion provoquée plus tôt dans le cycle thermodynamique, favorise les émissions d'oxyde d'azote (NO). Lorsque le piston atteint son PMH, une plus grande fraction de carburant est déjà brulés lors de l'avance, augmentant le pic de pression ainsi que le temps de séjour des gaz brulés à haute températures dans la chambre, deux conditions propices à la formation de NO.
Distribution des étincelles
Distribution par distributeur
Sur les automobile, il était habituel d'utiliser une seule bobine pour tous les cylindres, et de distribuer les étincelles au moyen d'un Delco. Le « distributeur rotatif » dont chacun des plots correspond à une bougie est inventé en 1899 par le français Léon Lefèbvre mais il est repris en 1908, par les américains Edward Deeds et Charles F. Kettering qui le commercialisèrent et le popularise sous le nom de Delco.
Distribution à étincelle perdue
Sur les motos et désormais sur les automobiles, pour des raisons d'encombrement, le Delco est rarement utilisé. Un système à étincelle perdue est préféré, dans lequel une bobine est utilisée pour deux bougies. Les deux bougies sont montées en parallèle, et installées sur des cylindres dont les pistons sont décalés de 360°. Pour des cylindres décalés de toutes autres valeurs, une deuxième bobine est nécessaire.
À chaque fois que les pistons atteignent leur point mort haut, les deux bougies font une étincelle. Celle qui se produit dans le cylindre rempli de gaz frais enflamme le mélange, tandis que celle qui se produit dans le cylindre en fin d'échappement n'a aucun effet. De cette manière, un moteur à quatre cylindres est équipés de deux bobines et deux rupteurs.
Lubrification et refroidissement
Hormis lors d'une utilisation en hautes performances (en compétition sportive ou sur les voitures de prestiges), les moteurs à allumage commandé ne sont pas exigeant en termes de lubrification. En générale, cette dernière est assurée par une pompe à engrenages actionnée par le moteur, un filtre permettant de retirer les impuretés de l'huile, et une série de canalisations permettant d'amener l'huile aux endroits nécessitant un graissage. La pompe aspire l'huile située dans le carter d'huile avant de la distribuer. Les cylindres sont lubrifiés par projection, i.e. l'huile est projetée dans l'espace moteur en raison des rotations rapides du vilebrequin. Certains moteurs s'équipent d'échangeurs eau-huile permettant de limiter l'échauffement de l'huile.
Le refroidissement, particulièrement nécessaire pour la culasse et le bloc-cylindres, est quant à lui assuré par la circulation d'un fluide absorbant de façon optimal la chaleur, généralement un mélange proportionnel d'eau et d'éthylèneglycol.
Avantages et inconvénients
En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de comparer les moteurs à allumage commandé aux moteurs Diesel. Il est bien sur évident que les avantages de l'un correspondent aux inconvénients de l'autre et vice-versa.
Le moteur à allumage commandé est relativement plus léger étant donné que la conception même des moteurs Diesel nécessite de surdimensionner les pièces moteurs. Il est donc relativement plus silencieux étant donné que l'explosion du gazole, par auto-inflammation, provoque une onde de choc importante dont le bruit, une sorte de claquement, est caractéristique des Diesel. Généralement, le moteur à allumage commandé est plus vif dans les bas régime et lorsque le moteur est froid puisque l'allumage se fait par l'intermédiaire d'une bougie d'allumage.
Néanmoins, le rendement thermodynamique du moteur essence est plus faible que celui du Diesel en raison des taux de compression plus faible. En effet, plus le taux de compression est élevé, plus la combustion est complète et la consommation spécifique réduite. Les consommations de carburant sont plus élevées dans les moteurs à allumage commandé pour un couple bien plus faible à bas régime et une pollution de CO2 accrue. La puissance est néanmoins plus importante en raison d'un régime/tour limite deux fois supérieur dans la majorité des cas.
