Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Bloc-cylindres

Le bloc-cylindres, aussi appelé bloc-moteur, constitue le bâti du moteur à pistons dont la partie intérieure est usinée pour former les cylindres ou les logements de chemises, s'il s'agit d'un moteur à chemises rapportées. L'eau de refroidissement circule librement à l'intérieur du carter-moteur. La partie supérieure du bloc est dressée pour former le plan de joint pour la Culasse du moteur, qui vient coiffer les cylindres.

Un bloc-cylindres d'un moteur en configuration V8.

Fonctions de carter inférieur

Le bloc-cylindre remplit différentes fonctions. Il doit résister à la pression des gaz de la combustion qui tendent à le dilater et pousser sur la culasse. Il doit guider le piston, d'où la nécessité de réduire le frottement et d'augmenter la résistance à l'usure. Il doit contenir le liquide de refroidissement tout en résistant à la corrosion.

Types

Bloc sans chemises

Dans un bloc sans chemises, les cylindres sont moulés directement dans une pièce, en général en fonte. Le bloc et le cylindre ne font alors qu'un ; on parle souvent de bloc à alésage direct. En cas d'usure des cylindres, il est nécessaire de réaliser à une cote supérieure et d'adapter des pistons de plus fort diamètre.

Bloc avec chemises

Bloc 6-cylindres en ligne.

En vue de réduire l'usure des parois de cylindres, il est souvent fait appel à des chemises particulièrement résistantes, placées dans les alésages des cylindres, c’est un tube détachable du cylindre. Usinée avant montage dans de l’acier ou de la fonte plus résistante à l’usure que le matériau du bloc-cylindres, la chemise est coulée par centrifugation sur des chantiers automatisés (carrousel de centrifugation).

Chemises sèches

Les blocs avec chemises sèches sont en fonte ou en aluminium. Dans le cas d'un bloc en fonte, les chemises pourront être remplacées après une usure importante. Dans le cas d'un bloc en aluminium, les chemises sèches seront mise en place à la fabrication du bloc et pourront donc être réalésées mais pas changées. Dans les deux cas le bloc comportera les chambres d'eau ou les ailettes nécessaires au refroidissement du moteur. Lorsqu'elles sont incorporées à la coulée dans l'aluminium (par procédé de type AL-FIN) les chemises sèches ne sont pas remplaçables, mais il existe quantité de moteurs en aluminium dont les chemises sèches sont amovibles. La chemise étant simplement frettée (insérée dans le cylindre ayant été dilaté par la chaleur), elle est donc remplaçable, cela se fait avec de l’azote liquide. Dans un moteur à 2 temps ou moteur sans soupapes, la chemise comporte les orifices d’admission et d’échappement.

Chemises humides

Pour un bloc avec chemises humides, les chemises, installées dans un carter creux, seront maintenues pour la partie supérieure, par la culasse, et pour la partie inférieure par le carter lui-même, avec une étanchéité sur la partie basse. L'avantage de ce principe est le remplacement facilité des chemises. Les moteurs à refroidissement liquide des années 1920 recevaient des chemises humides en acier vissées dans le bloc en aluminium préalablement chauffé dans un bain d'huile. Le remplacement des chemises s'avère cependant parfois extrêmement délicat devant la difficulté à extraire les chemises.

• Réalésage ou re-chemisage : c’est l’usinage des chemises qui a pour effet, en agrandissant très légèrement leur diamètre, de faire disparaître leur ovalisation due à l’usure, les rayures dues à un défaut de lubrification, ou pour augmenter la cylindrée du moteur. Cette opération entraîne le montage d’autres pistons et segments neufs adaptés au nouveau diamètre.

Configuration

Le cylindre est un élément d'un moteur thermique, dans lequel se déplace le piston. Il est caractérisé par :

• l'alésage, c'est-à-dire le diamètre interne du cylindre
• la course du piston, à savoir la distance entre son point mort haut et son point mort bas.

Ces paramètres déterminent la cylindrée ou volume déplacé par le mouvement du ou des pistons.

• le taux de compression, rapport entre le volume interne du cylindre lorsque le piston est au point mort bas et le volume au point mort haut.

La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre hermétiquement close pour un mouvement unitaire. Ce concept est utilisé pour les pompes et tous les moteurs utilisant un fluide. Le mouvement unitaire est un aller-retour dans le cas d’un dispositif linéaire comme un piston ou un tour dans le cas d’un dispositif rotatif.

La cylindrée est homogène à un volume par nombre de mouvement, elle sera donc exprimée en m³/tour ou m³/aller-retour dans le système SI. Par abus de langage, on exprime la cylindrée comme étant homogène à un volume, on rend alors implicite le fait qu’elle soit rapportée à un mouvement unitaire. Ainsi la cylindrée est plus couramment exprimée en litre.

Dans le cas particulier d'un moteur à combustion interne, la cylindrée est le volume balayé par un piston entre le point mort haut et le point mort bas, donc pour un aller-retour. Par exemple, un moteur d’une cylindrée de 2 litres (en réalité 2 l/tr) aspire et refoule 2 litres de fluide pour deux tours du vilebrequin. Lorsque le vilebrequin fait deux tours, tous les pistons ont fait un cycle complet de quatre aller-retour.

Calcul d'une cylindrée pour un dispositif à pistons

La surface d’un piston correspond au diamètre ouvert par l'alésage des cylindres et se calcule selon la formule de l'aire d'un disque :

$S=\pi \times R^{2}=\pi \times {\frac {d^{2}}{4}}\,$

Avec R le rayon de la section du piston et d son diamètre. En multipliant la surface du piston par la course et le nombre de pistons, on obtient la cylindrée totale. La course C est la distance parcourue entre les deux positions extrêmes du piston. Elle est égale à deux fois l'excentricité du vilebrequin.

$V_{cylindree}=N\times C\times S=N\times C\times \pi \times R^{2}$

avec
N, le nombre de cylindres,
C, la course du piston,
S, l'aire de la section du piston. On fera évidemment attention aux unités comme pour tout calcul.

Dans le cas de pompes ou moteurs hydrauliques à pistons radiaux le calcul de la cylindrée peut prendre deux formes:

• celle donnée ci-dessus donnant la somme des cylindrées unitaires (pour un seul aller retour de chaque piston) qui constitue ce qu'on peut appeler la cylindrée apparente.
• celle obtenue en considérant les mouvements de tous les pistons pour un tour de l'axe moteur. Par exemple une pompe disposant de 7 pistons commandée par une came à huit lobes offre 7x8=56 aller-retour, ce qui lui confère une cylindrée réelle huit fois supérieure à la cylindrée apparente. Il existe des moteurs thermiques type étoile et sans bielle présentant les mêmes caractéristiques.

Cas des moteurs à combustion interne

De façon qualitative, plus un moteur a une "grosse" cylindrée plus il développe un couple important, en contrepartie un tel moteur ne pourra pas tourner très vite en raison de la taille et donc de la masse des pistons et autres pièces mobiles. Les moteurs à faible nombre de cylindres sont moins puissants (à cylindrée égale), car ils tournent moins vite; en revanche ils disposent de reprises plus franches. Les moteurs à grand nombre de cylindres ont un comportement plus élastique, à la façon de moteurs électriques, et vibrent moins car les temps moteurs sont plus fréquents donc équilibrent mieux l'ensemble.