BAC PRO Conducteur Routier
Transport de Marchandises
POLE TRANSPORT Louis Armand Chambéry (73)
SÉANCE 2 :
LE MOTEUR DIESEL
Les composants
Objectif de cette séance : développer les connaissances permettant de conduire rationnellement et en sécurité le véhicule, et d'en exploiter les caractéristiques techniques.
Le conducteur doit être capable d'exploiter les caractéristiques techniques du véhicule en toutes circonstances, et d'identifier les principaux composants du moteur Diesel.
​​Le coin du prof'...
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de Synthèse
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​​Le coin de l'élève...
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1 - Principe de fonctionnement :
Le moteur transforme l’énergie calorifique en énergie mécanique ( motrice).
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Un mélange d’air et de carburant
est brûlé à l’intérieur du (des) cylindre(s) : c’est l’énergie calorifique ( ou " chaleur " ).
Cette combustion / explosion contribue, à son tour, à la mise en mouvement des pièces mobiles du moteur, développant de l’énergie : c'est l' énergie mécanique ( ou " motrice " ).
Le carburant utilisé pour le fonctionnement d'un moteur DIesel est le Gasoil.
2 - Les organes fixes :
Les organes fixes ( Carter inférieur, Bloc cylindre(s), joint de culasse, culasse et cache-culbuteurs ) constituent " l'emballage " du moteur.
2.1 Le bloc-cylindre(s) ou bloc-moteur :
A savoir :
Le cylindre est un conduit creux, en forme de "tube", réalisé à partir d’un bloc en métal ou en acier particulier.
Sa surface a été traitée afin de lui permettre de résister à une chaleur puissante, et donc résister à la chaleur provoquée par la combustion du carburant. Mais sa surface est aussi traitée pour résister aux frottements généré par la mécanique interne ( voir le chapitre lié aux organes mobiles du moteur ).
Inséré(s) dans le bloc moteur, le(s) cylindre(s) permet(tent) de faire fonctionner le(s) piston(s) grâce à un système de coulissement.
Pour imager le bloc moteur, prenons un bloc en métal ( hier essentiellement composé de fonte et aujourd'hui souvent réalisé en aluminium ),
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Le cylindre est "creusé" dans ce bloc de métal et le traverse de part en part.
Autour de ce trou cylindrique, des galeries vont être "creusées". Elles serviront, plus tard, à la circulation de l'huile ou du liquide de refroidissement.
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Un bloc moteur peut être percé d'un cylindre unique on parlera de moteur monocylindre ( comme sur un scooter ou une moto de petite cylindrée ).
Le bloc moteur peut aussi recevoir de deux cylindres ( = moteur bicylindre ) à 12 cylindres ( comme pour les voitures des marques Ferrari ou Lamborghini ) et, plus exceptionnellement, jusqu'à 16 cylindres ( comme, par exemple, la Bugatti Veyron ).
La grande majorité des véhicules légers ( " voitures " ) sont équipées d'un bloc-moteur avec 3 ou 4 cylindres.
La grande majorité des véhicules lourds ( "camions " ) sont équipés d'un bloc-moteur avec 6 ou 8 cylindres.
bloc moteur ravec 4 cylindres
bloc moteur avec 8 cylindres
2.2 Le carter moteur :
Ce que je dois savoir :
Le carter moteur est un bac métallique ( en aluminium ) qui vient " fermer " le bloc moteur dans sa partie inférieure.
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Ce bac va, en règle générale, servir de réservoir d'huile d'où son appellation de " carter d'huile inférieur ".
Il doit être fixé de façon parfaitement étanche au bloc cylindre, et dispose d'une vis qui permettra de le vider de son huile au moment de la renouveler ( la " vidange " ).
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Vis faisant office de " Bouchon de vidange "
2.3 La culasse :
Ce que je dois savoir :
La culasse est en quelque sorte le " couvercle " du bloc moteur qui vient "fermer" le bloc moteur dans sa partie supérieure.
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La culasse est une pièce plutôt complexe puisqu'elle vient fermer de façon parfaitement hermétique ( = étanche ) la partie supérieure du ou des cylindres. La culasse est complexe parce qu'elle reçoit :
- Des canalisations d'admission qui permettront d'alimenter le(s) cylindre(s) en air
- Des canalisations d'échappement qui permettront d'évacuer les gaz brûlés vers le pot d'échappement,
- Les soupapes qui assurent l'étanchéité des cylindres ou, au contraire, des ouvertures vers les canalisations d'admission ou d'échappement ,
- Le dispositif d'injection pour alimenter le(s) cylindre(s) en carburant,
- Sur les moteurs essence ou gaz, la culasse reçoit pour chacun des cylindre la bougie d'allumage qui produira l'étincelle à l’origine de l'explosion du mélange air/carburant.
- Des canalisations permettant la circulation de l'huile vers les pièces mobiles à lubrifier...
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Le joint de culasse :
Pour qu'un moteur puisse fonctionner, les différents gaz de haute température produits par les chambres de combustion ne doivent pas pouvoir s'en échapper. C'est ici qu'intervient le joint de culasse.
Rôle du joint du culasse : il assure l'étanchéité d e toutes ces chambres de combustion ( = une par cylindre ) afin que les gaz produits par le moteur ne puissent pas fuir. De même il se doit d'assurer une séparation efficace entre le circuit d'eau, le circuit d'huile et les chambres de combustion.
Le joint de culasse se place entre le bas de la culasse et le haut du bloc-cylindres.
En plus de gérer la bonne liaison des différents organes du moteur, le joint de culasse assure la bonne circulation du liquide de refroidissement et de l’huile. En effet, les circuits de lubrification et de refroidissement traversent à la fois la culasse et le bloc moteur, le joint de culasse vient ainsi assurer la continuité de ces circuits et la séparation stricte entre l’huile, le liquide de refroidissement et la chambre de combustion.
2.4 Le cache-culbuteurs :
Ce que je dois savoir :
Le cache-culbuteurs vient compléter la culasse pour fermer la partie haute du moteur en protégeant toutes les pièces mécaniques mobiles qui se trouvent en partie supérieure de la culasse.
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Plus particulièrement, le cache-culbuteurs vient couvrir et protéger l'ensemble des pièces qui agissent sur l'ouverture des soupapes ( Arbre à cames, culbuteurs... ).
Beaucoup de constructeurs automobiles se contente d'un simple capot en plastique pour faire office de cache-culbuteurs.
3 - Les organes mobiles :
Le mouvement des organes mobiles contribue à la création de l’énergie mécanique ( motrice )
3.1 Le vilebrequin :
Ce que je dois savoir :
Le vilebrequin est le dispositif mécanique qui agit comme une manivelle.
Il permet, par l’intermédiaire d'une bielle, la transformation du mouvement linéaire rectiligne du piston ( aller et retour à l'intérieur du cylindre ) en un mouvement de rotation continu, et inversement.
​​Le Vilebrequin est un arbre grâce auquel le mouvement rectiligne alternatif d'un dispositif piston-bielle est transformé en un mouvement de rotation.
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Présent dans la plupart des moteurs à piston, il assure la transmission de l'énergie issue de la combustion du carburant dans les cylindres en une énergie mécanique disponible sur l'arbre moteur.
​C'est cette énergie mécanique qui sera utilisée pour mettre en mouvement le véhicule par le biais de la transmission et des roues motrices.
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Le vilebrequin d'une automobile est un arbre coudé, en acier forgé ou coulé, ou en fonte moulée, tourillonné sur des paliers placés à la partie inférieure du bloc-cylindres du moteur.
Dans un moteur à pistons, le vilebrequin constitue l'arbre moteur. Il entraîne la transmission primaire, l'alternateur, les pompes, les contre-arbres d'équilibrage, et l'arbre à cames dans le cas du moteur thermique 4 temps...
Le vilebrequin est composé de Tourillons : ce sont des portées alignées guidant l'axe central en rotation par l’intermédiaire de paliers. Entre ces paliers se trouvent des manivelles équipées de manetons excentrés sur lesquels sont montées les bielles.
Le maneton est la partie cylindrique d'un vilebrequin assurant la liaison pivot avec la bielle grâce à deux demi-coussinets servant a réduire la friction entre le vilebrequin et la bielle.
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Un tourillon est la partie cylindrique mâle d'un arbre réalisée pour assurer un guidage en rotation.
Les tourillons sur les arbres tournants (vilebrequin, arbre à cames) sont très souvent maintenus dans des paliers par l’intermédiaire de coussinet. Dans les vilebrequins, il ne faut pas confondre les tourillons, situés sur l'axe de rotation du vilebrequin, avec les manetons, excentrés, sur lesquels sont articulées les bielles.
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Les contre-poids : Les manivelles peuvent être munies de masses d'équilibrages appelées contre-poids. Ces masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie éventuelle du système de manivelle (moteur 3 et 6 cylindres).
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Le vilebrequin comporte, à une extrémité une bride destinée à transmettre la puissance mécanique. Cette bride cale un volant ( le volant moteur ) qui porte à son tour l'embrayage.
À l'autre extrémité, une forme adéquate permet d'assurer le montage et le calage d'une roue dentée pilotant le système de distribution (arbre à cames) et des poulies entraînant par courroies des organes auxiliaires tels que la pompe à eau, le générateur électrique ou le ventilateur.
le vilebrequin est, sans nul doute, parmi les organes mobiles du moteur, la pièce la plus importante tant pour créer l'énergie mécanique pour pour transmettre cette énergie vers l'embrayage et les roues motrices.
Il n'est pas rare d'entendre l'expression " faire tourner le moteur ", il serait plus adapté de dire " faire tourner le vilebrequin ".
Nous verrons plus tard que le vilebrequin intervient dans le fonctionnement des circuits d'alimentation en carburant, de lubrification et/ou de refroidissement... Le vilebrequin est également actionné par le démarreur au moment de la mise en marche du moteur !
3.2 Les bielles et pistons :
3.2.1 Le piston :
Le piston est l'élément mobile qui se déplace à l'intérieur du cylindre et assurant la variation de volume de la chambre de combustion de ce cylindre.
Dans un moteur il y a autant de pistons que de cylindres creusés dans le bloc moteur ( ou " bloc cylindre " ).
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Fonctions principales du Piston : Généralement lié à une bielle, le piston assure la compression des gaz de combustion et subit leur détente, engendrant ainsi un mouvement rotatif du vilebrequin.
Lorsque la chambre est ouverte par une soupape, il expulse les gaz brûlés ou aspire l'air pour le cycle suivant.
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Le déplacement du piston à l'intérieur du cylindre est délimité par un point-mort haut et un point-mort bas.
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Les segments assurent une parfaite étanchéité entre la chambre de combustion située au dessus du piston, et le carter d'huile situé en dessous du piston et où se trouve le vilebrequin.
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Les segments sont fixes et positionnés aux abords du piston.
Ils assurent la liaison entre les pistons et les cylindres.
Il sont en nombre important et remplissent tous un rôle très différent, allant du raclage du surplus d’huile sur le cylindre ( = segment inférieur ), à l’étanchéité entre la chambre de combustion et le carter.
Le segment supérieur est dit "coupe-feu" .
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L'ensemble des segments constituent la segmentation.
La Bielle relie le piston jusqu'au vilebrequin. Elle permet de transformer le mouvement vertical du piston en une rotation agissant sur le vilebrequin ( principe de la manivelle ).
La Bielle est rattachée au piston au niveau de l'axe du piston.
La bielle est rattachée au vilebrequin par l’intermédiaire de coussinets
( généralement en bronze ).
3.2.2 Les segments :
3.2.3 La bielle :
3.3 Soupapes et arbre(s) à cames :
3.3.1 Les soupapes :
Un moteur est doté d’au moins deux soupapes par cylindre ( = au minimum ! ).
Dans chaque paire de soupapes, l’une est conçue pour l’admission de l’air dans la chambre de combustion ( = soupape d'admission ) et l’autre sert à l’évacuation des gaz brûlés ( = soupape d'échappement ). Elles sont garantes de l'étanchéité de la chambre de combustion au moment de l'explosion ( ou combustion ) du mélange air et carburant.
Les soupapes :
Les modèles de soupapes les plus répandus sont les “soupapes à tige”, appelées également “soupapes à tulipes”. Il s’agit de longues tiges de métal comprenant à l’une de leurs extrémités un tampon de métal, appelé le “siège” de la soupape.
​​Les soupapes se mettent en mouvement dès que le moteur est en marche.
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Deux types de soupapes existent :
- La soupape d'admission qui permet l'entrée de l'air au sein de la chambre de combustion du cylindre
- La soupape d'échappement qui permet d'évacuer les gaz brûlés après l'explosion ( moteur essence ) ou la combustion d'un carburant ( moteur Diesel ).
Elles peuvent être soit en position ouverte soit en position fermée.
​Les ressorts des soupapes ont pour principe de maintenir les soupapes en position fermée
Aujourd'hui il est fréquent de trouver 3 à 4 soupapes par cylindre
3.3.2 L' arbre à cames :
Rôle de l' arbre à cames :
L'arbre à cames à pour fonction d'agir sur les soupapes pour qu'elles s'ouvrent ( = les pousser " vers la bas " )
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Les ressorts des soupapes ont pour principe de maintenir les soupapes en position fermée : la chambre de combustion est alors étanche, il n'y a pas d'entrée d'air ( admission ) ni évacuation de gaz brûlés ( échappement ).
L'arbre à cames ouvre alternativement la (les) soupape(s) d'admission pour permettre le remplissage du cylindre en air et la (les) soupape(s) d' échappement pour assurer l'évacuation des gaz brulés.
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3.3.3 Moteur à simple arbre à cames :
Le moteur est dit à " simple arbre à cames " s'il ne dispose que d'un seul arbre à cames pour commander l'ouverture de l'ensemble de ses soupapes.
Cela sous entend que toutes les têtes des soupapes ( pour l'ensemble des cylindres ) de ce moteur sont parfaitement alignées.
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3.3.4 Moteur à doubles arbres à cames :
Le moteur est dit à " doubles arbres à cames " s'il dispose de 2 arbres à cames : l'un pour commander l'ouverture des soupapes d'admission ( et faire entrer l'air dans la chambre de combustion ) et l'autre arbre à cames, pour commander l'ouverture des soupapes d'échappement ( et évacuer les gaz brûlés ).
Cela sous entend que toutes les têtes des soupapes ( pour l'ensemble des cylindres ) forment 2 alignements distincts : d'un côté les soupapes d'admission, de l'autre, les soupapes d’échappement.
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3.3.5 Arbre à cames en tête ( ACT ) :
Lorsque l'arbre à cames agit directement sur les têtes de soupapes, il est dit " arbre à cames en tête " : Un moteur à arbre à cames en tête (ACT) est un moteur à piston(s) dans lequel l'arbre à cames est situé dans la culasse au-dessus de la chambre de combustion
Les moteurs à arbre à cames en tête simple ( Single Over Head Camshaft en anglais ou SOHC) ont un arbre à cames par rangée de cylindres. Les moteurs à double arbre à cames en tête ( 2ACT, également appelés « twin-cam » ou Double Over Head Camshaft DOHC ) ont deux arbres à cames par rangée de cylindre.
Moteur à double ACT ( 2 ACT), également appelé
" twin-cam " ou " Double Over Head Camshaft "
( = DOHC )
3.3.6 Les culbuteurs :
Un moteur culbuté, c'est un moteur dont les soupapes sont commandées par des culbuteurs :
Dans un moteur à combustion interne, les culbuteurs servent à transmettre la poussée des tiges de culbuteurs vers les soupapes.
Les soupapes se trouvent au-dessus des cylindres. Les tiges de culbuteurs, situées le long des cylindres, sont actionnées par un arbre à cames latéral ou central, situé vers le bas des cylindres et proche du vilebrequin.
Ces moteurs "culbutés" ont été très utilisés en automobile de tourisme jusqu'aux années 1970-80. Ils restent encore utilisés sur certaines motocyclettes (Harley-Davidson, Moto Guzzi) et sur les moteurs qui ont un régime de rotation maximum peu élevé.
Dans sa version complexe, l'arbre à cames commande l'ouverture des soupapes en agissant sur les culbuteurs, à l'aide de tiges de culbuteurs et de poussoirs :
Dans sa version simplifiée, l'arbre à came commande l'ouverture des soupapes en agissant directement sur un culbuteurs ou un levier.
Sur ce type de moteur culbuté, le(s) arbre(s) à cames se situent dans la partie supérieure du moteur, sous le cache- culbuteurs. Toutefois, l'arbre à cames n'est pas placé juste au dessus des soupapes.
On retrouve ce type d’ouverture des soupapes sur beaucoup de moteurs diesel actuels.
3.4 La distribution :
​Rôle de la distribution :
La distribution à pour fonction d'assurer un fonctionnement des soupapes ( ouverture et fermeture ) en totale synchronisation avec celui des pistons.
Cette fonction est rendue possible grâce au mécanisme dit de "distribution" ( cascade de pignons, chaine ou courroie ) qui relie et associe le mouvement de l'arbre à cames à celui du vilebrequin.
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Règle de fonctionnement : la distribution divise par 2 la vitesse de rotation entre le vilebrequin et l'arbre à cames.
Pendant que le vilebrequin fait 2 tours ( 2 rotations ), l'arbre à cames n'en fait qu'un ( une seule rotation ).
3.4.1 La chaine de distribution :
​​​Les moteurs de conception assez ancienne sont pourvu d'une chaîne pour transmettre le mouvement du vilebrequin à l'arbre à cames.
La durée de vie de cette chaine est théoriquement égale à celle de l'ensemble du moteur, si elle est correctement lubrifiée, cependant cette techniques d'entrainement est consommatrice de puissance, a l’accélération, du fait de son inertie.
L'utilisation d'une chaine implique l'ajout de tendeurs ( = dispositif de correction de la tension de cette chaine ).
3.4.2 Distribution par cascade de pignons :
​​​Autre conception assez ancienne : l'emploi d'un jeu de pignons placés en "cascade" pour transmettre le mouvement du vilebrequin à l'arbre à cames.
La aussi, la durée de vie du dispositif est théoriquement égale à celle de l'ensemble du moteur, si les pignons sont correctement lubrifiés, cependant cette techniques d'entrainement est également consommatrice de puissance, a l’accélération, du fait de son inertie, car les pignons sont assez lourds et nuisent à l'efficacité mécanique globale du moteur.
3.4.3 La courroie de distribution :
Dans les moteurs modernes, très souvent, des courroies de distribution sont utilisées.
Ces courroies sont essentiellement composées de caoutchouc, enrobant une tresse (âme) en aramide ou fibre de verre. Elles ont l'avantage de ne nécessiter aucun graissage et d'être silencieuses.
Par contre, leur remplacement périodique est impératif : tous les 50 000 à 240 000 kilomètres, mais aussi après quelques années, entre cinq et dix ans, lorsque le kilométrage n'est pas atteint, du fait de la dégradation progressive des composants de cette courroie. La rupture de cette courroie est à coup sûr destructrice pour l'ensemble du haut moteur.
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Vidéo : Assemblage moteur FORD
4 - Notion de cylindrée :
La cylindrée unitaire, c’est le volume maxi ( en cm3 ) de la chambre de combustion correspondant au déplacement du piston de son point mort haut à son point mort bas.
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​La cylindrée totale d’un moteur à plusieurs cylindres est l’addition des cylindrées unitaires de chacun de ses cylindres
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Cylindrée moteur = cylindrée unitaire (en cm3) x nombre de cylindre(s)
Exemple : cylindrée totale = cylindrée unitaire (en cm3) x 4
A partir des valeurs de l’alésage et de la course, données par le constructeur, on peut déterminer la cylindrée unitaire d’un cylindre moteur,
Formule : course ( en cm ) x surface du piston ( en cm )
avec surface du piston = π x rayon ² ( π.r ² )
Le rayon du piston = la moitié de l’alésage ( r = Ø / 2 )
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La cylindrée totale s’exprime généralement en cm3 ( pour les cyclomoteurs et motos ) ou en litres ( pour les autos et les Poids Lourds )
NB : 1000 cm3 ( ou cc ) = 1 litre
Cette notion est abordée en détails dans la séance 4 :
" Moteur Diesel - cylindrée, régime, puissance et couple moteur "
5 - Architecture du moteur :
Dans le domaine de l’automobile, plusieurs architectures sont utilisées ; suivant la cylindrée et la recherche de puissance du moteur, une architecture est plus adaptée qu’une autre.
D’une manière générale l’architecture des moteurs définit, entre autres, la position des cylindres.
Lors de la conception d’un véhicule, le point le plus important reste l’encombrement et l’espace réservé, sur le châssis ou à l'intérieur de la carrosserie, au moteur.
Les différentes architectures utilisées en automobile sont les suivantes : Moteur en ligne, Moteur en V, Moteur VR, Moteur W ou Moteur à plat (Boxer)
Il existe encore des architectures de moteurs utilisées dans d’autres domaines tel que l’aviation : Moteur en H ou Moteur en étoile...
Moteur en ligne ( les cylindres sont alignés )
Ces moteurs sont très souvent utilisés dans l’industrie automobile, les moteurs de petite cylindrée sont souvent des moteurs avec cylindres en ligne.
Depuis plus de 30 ans, les moteurs à 4 cylindres en lignes sont devenus la norme dans l’industrie automobile. Ces moteurs sont réputés pour leur douceur de fonctionnement.
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Moteur en V (angle de 60 à 120 degré entre les pistons)
Les cylindres sont alignés en deux rangées décalées d’un angle variant de 60 à 120°. L’avantage principale et le gain de place (moteur plus court) quand le nombre de cylindre est important contrairement au moteur en ligne.
A Partir de 6 cylindres, la conception en V est généralement utilisée. Il existe des configurations différentes V6, V8 et V12.
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Moteur VR :
Dans cette configuration, certains disent que c’est un moteur en V avec un angle réduit. Cependant, la principale caractéristique des moteurs VR c’est l’utilisation d’une seule culasse (partie supérieure du moteur).
Contrairement au moteur en V traditionnel, qui possède quand à lui deux culasses distinctes.
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Moteur W :
Quand le nombre de cylindre devient important, une autre solution consiste à regrouper deux moteur VR décalés d’un angle défini.
Les configurations existantes sont les moteurs W12, et W16 comme celui installé dans la célèbre Bugatti Veyron
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Moteur à plat (Boxer) :
Ces moteurs permettent d’abaisser le centre de gravité des voitures. Les pistons se déplaçant dans un même plan horizontal mais dans des directions opposées, les forces d’inertie du premier et du second ordre sont équilibrées.
Cette architecture est utilisée de nos jours par les marques : Porsche et Subaru
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Moteur en H :
Un moteur avec cylindres en H est une architecture de moteur à combustion interne qui se présente comme deux moteurs à cylindres opposés à plat, enfermés l'un au-dessus de l'autre dans un seul carter. C'est un moteur plus compact qu'un moteur à disposition en V ou en W. Le nombre de cylindres peut être plus important, de 12 à 24 cylindres, favorisant l'augmentation de la puissance.
Ce type de moteur fut principalement utilisé en aviation, mais il n'est pas impossible qu'il fût employé dans des véhicules à destination militaire, et demandant de fortes puissances, tels des chars.
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Moteur en étoile :
Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du vilebrequin et axe de sortie moteur.
Jusqu'à aujourd'hui l'architecture la plus courante sur les véhicules légers était le moteur 4 cylindres en ligne mais l'actuelle politique des constructeurs dans une politique dite du "Down sizing" tend a voir apparaitre de plus en plus de véhicules emmenés par un moteur à 3 cylindres
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Les 2 architectures les plus utilisées pour les moteurs de Poids Lourds sont les 6 cylindres en ligne et les moteurs dits V8 ( 8 cylindres en V ).
Vidéo : Les moteurs 4, 6, 8, et 12 cylindres
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