Moteur à allumage commandé

Portrait de Nikolaus Otto.

C'est en 1860, approximativement à la même période en France et en Allemagne, que naît le « moteur dit à explosion ». Le 24 janvier, Étienne Lenoir dépose le brevet d'un « système de moteur à air deux temps dilaté par la combustion des gaz enflammés par l'électricité ». En raison de l'absence de compression des gaz préalablement à l'allumage, le moteur Lenoir souffre d'un rendement médiocre[1].

Il faut attendre le 16 janvier 1862 pour que le physicien Alphonse Beau de Rochas théorise le cycle thermodynamique d'un moteur à allumage commandé à quatre temps. C'est sur ce principe que fonctionne l'ensemble des moteurs à essence actuels. Néanmoins, Beau de Rochas est un théoricien et non un praticien, si bien que le premier moteur à allumage commandé, exploitant ce cycle thermodynamique, est mis au point par Nikolaus Otto en 1864.

Dans les débuts du moteur à combustion interne à allumage commandé, seule la variation de l'avance à allumage permettait de moduler la puissance du moteur. Bien qu'assez efficace, ce procédé est limité par le phénomène de cliquetis et a l'inconvénient majeur d'une consommation élevée de carburant, quelle que soit la puissance demandée au moteur. Ce système de régulation a été avantageusement remplacé par un réglage du débit du mélange air/carburant, tout en conservant l'avance à l'allumage variable, au début toujours commandée par le conducteur, puis automatiquement asservie à certains paramètres de fonctionnement du moteur.

Une fois conçus, les moteurs à allumage commandé ont très rapidement été utilisés et installés sur des automobiles par les constructeurs naissants : Daimler, Benz, Peugeot, Renault, Panhard & Levassor, etc[1].

Photographie d'un moteur rotatif en étoile équipant les avions de la Première Guerre mondiale.

En raison des hauts régimes pouvant être atteints, les moteurs deux temps ont, en théorie, un avantage sur les quatre temps. Néanmoins, leur développement stagne jusqu'au début du XX^e siècle tandis que les performances des moteurs quatre temps ne cessent de s'accroître. Les applications du moteur deux temps se multiplient alors sur les motocyclettes, ainsi que sur les hors-bord et sur le matériel destiné à l'agriculture, en raison de leur légèreté et de la possibilité de fonctionner dans n'importe quelle position. Les automobiles quant à elles sont généralement mues par des quatre cylindres en ligne à quatre temps[2].

Durant près d'un siècle, l'architecture des moteurs va considérablement évoluer. Les quatre cylindres « en V » font leur apparition dans les années 1900 en course automobile, sur des modèles Mors et Ader. Par la suite, le nombre de cylindres ne cessera d'augmenter, de même que se multiplieront les cylindrées et les architectures alternatives. En 1896, Benz met au point le « Kontra », premier moteur de type boxer. Il s'agit d'un moteur à deux cylindres opposés connu pour sa large diffusion. Par la suite, les moteurs boxer trouvent de multiples applications dans le domaine automobile et seront notamment popularisés par la Volkswagen Coccinelle. En effet, en raison de leur architecture à cylindres opposés, ces moteurs offrent la possibilité d'abaisser fortement le centre de gravité et d'améliorer ainsi le comportement dynamique de la voiture, ce que les moteurs en ligne ou en V ne permettent pas[3]. Une autre disposition, bien adaptée à l'aviation et à un grand nombre de cylindres, est le moteur en étoile.

Ces moteurs fonctionnent sur le principe du mouvement alternatif des pistons et ce n'est que bien plus tard qu'un moteur à piston rotatif est inventé. Cette dernière innovation est le fruit des réflexions de Felix Wankel qui en dessine le principe en 1927. Le 20 décembre 1951, Wankel et NSU signent un contrat d'association qui a pour objet le moteur à piston rotatif, dénommé moteur Wankel[4]. En 2016, seul le constructeur Mazda produit en série des véhicules équipés d'un tel moteur, mais ce type de moteur a aussi été utilisé sur des motos.

À noter que dans les années 1890 apparaît pour la première fois, sur des quadricycles et des motocyclettes, un moteur rotatif, dont le vilebrequin est fixe et le bloc-cylindres mobile. Gnome et Rhône, un des plus célèbres constructeurs, équipera les premiers avions de cette technique avant d'en fabriquer en très grande série pour les avions de combat de la Première Guerre mondiale. Les moteurs rotatifs équiperont également quelques motos, placés dans une des roues, sans grand succès[5].

Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une Daewoo Matiz de 796 cm³.

Le principe d'allumage par une bougie étant fixé, deux aspects concentreront des évolutions spécifiques aux moteurs à allumage commandé : l'allumage, et la façon d'amener le carburant et le comburant (oxygène) jusqu'à la chambre.

L'évolution de l'allumage est liée à celle de l'électricité et de l'électronique. Après l'invention du Delco, industrialisée en 1908, les seules évolutions notables sont le remplacement du rupteur par un transistor vers 1970[N 3], et le passage à l'allumage électronique, vers 1980[6].

Du côté de l'alimentation en carburant, le système qui fut majoritaire pendant plus d'un siècle est le carburateur. Inventé vers 1885, mais à la paternité peu claire, il fut en situation de quasi-monopole jusque vers 1990.

Il est désormais supplanté par l'injection indirecte, qui se répand à partir de 1960, car c'est une des rares techniques permettant de respecter les normes d'émissions polluantes de plus en plus strictes. Ces deux techniques préparent le mélange comburant-carburant en amont de la chambre avant son admission.

Avec la technique d'injection directe, qui fut utilisée en aviation pendant la Seconde Guerre mondiale et dès 1952 sur des automobiles à moteur à deux temps, le carburant est injecté seul dans la chambre, à proximité de la bougie, avant la fin de compression de l'air précédemment admis[7]. Cela présente des avantages en termes de rendement. Aujourd'hui grâce aux progrès de l'électronique de contrôle et des systèmes d'injection, associés à l'allumage commandé, cette technique est de plus en plus utilisée et est développée activement par les différents concepteurs de moteurs.

Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient des soupapes latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement du piston. Cette technique utilise un ou deux arbres à cames et permet une grande proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre le vilebrequin et les soupapes, elle connut son heure de gloire entre 1910 et 1940.

Pour la compétition, et par la suite en grande série, afin de rapprocher l'arrivée du mélange et le point d'étincelle, les soupapes migrent dans la culasse, en tête de cylindre — technique OHV, pour « Overhead Valves ». Leur commande utilise des tiges et des culbuteurs conservant un unique arbre à cames proche du vilebrequin.

Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente aujourd'hui, l'arbre à cames est rapproché des queues de soupapes, et passe lui aussi dans la culasse, en tête de cylindre. cette technique de l'ACT, pour arbre à cames en tête, (OHC) pour « Overhead Camshaft » — grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, permet de mieux maîtriser le problème qu'est l'affolement des soupapes à haut régime.

Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser le fonctionnement, les systèmes, comme le double arbre à cames en têtes ou (DOHC), qui laissent cet espace central libre, sont aujourd'hui très répandus[8].

La multiplication du nombre des soupapes est due elle aussi aux impératifs de rendement. De deux soupapes par cylindre on est souvent passé à quatre, afin d'améliorer le remplissage (admission) et le dégazage (échappement) de la chambre de combustion.

Illustration de la technologie hybride HSD sur une Toyota Prius.

Au début du XXI^e siècle, en raison de la raréfaction des ressources en pétrole et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions de CO₂, la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de motorisation est le downsizing. Après avoir été lancée par des constructeurs généralistes, en particulier avec les moteurs TSI de Volkswagen, recourant simultanément à un compresseur, un turbocompresseur et à l'injection directe, cette tendance s'étend aux modèles sportifs, par exemple pour l'Audi S4, qui abandonne le moteur V8 au profit d'un V6 compressé. Il s'agit de réduire la cylindrée des moteurs, tout en obtenant la même puissance qu'un moteur de plus forte cylindrée au moyen d'une suralimentation. En associant le downsizing à une injection directe, la consommation d'essence est considérablement réduite et les émissions de CO₂ sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'un compresseur ; en effet, afin d'éviter le phénomène de cliquetis, le rendement à très hauts régimes est dégradé[9].

Depuis peu, l'hybridation des automobiles, c'est-à-dire l'association d'un moteur thermique et d'un moteur électrique dans la majorité des cas, se généralise. L'énergie reste issue de la combustion de l'essence mais la transmission de la puissance par un système électrique couplé à des batteries permet de récupérer l'énergie cinétique du véhicule lors du freinage, ou une partie de son énergie potentielle dans les descentes. Le gain en consommation d'essence par rapport à une automobile de même puissance, est de l'ordre de 30 %. Les sources de ce gain sont :

• la récupération d'une partie de l'énergie cinétique qui est gaspillée sur une automobile classique lors du freinage ;

• la suppression d'autres sources de gaspillage d'énergie (embrayage lors des manœuvres) ;

• la possibilité de faire tourner le moteur thermique majoritairement dans sa plage de meilleur rendement, quelle que soit la puissance demandée aux roues.

La réalisation pratique de tels véhicules conduit en revanche à introduire d'autres sources d'utilisations non optimales de l'énergie :

• nécessité de stockage-déstockage de l'énergie dans des batteries, donc avec un rendement de 90 % au mieux, y compris dans certaines phases où il serait possible de la transmettre directement aux roues ;

• nécessité de transmission de l'énergie du moteur thermique, en partie directement aux roues et en partie via un générateur puis un moteur électrique, donc avec une perte de rendement.

Les sources de gain compensent cependant largement les sources de pertes, qui peuvent par ailleurs être encore l'objet d'optimisation. Les moteurs à allumage commandé étaient, jusqu'en 2011 (commercialisation des Peugeot HYbrid4), les seules motorisations capables de supporter l'hybridation. Les moteurs thermiques et électriques peuvent fonctionner en concert ou indépendamment l'un de l'autre, ce qui implique des arrêts et démarrages fréquents du moteur thermique, ce à quoi le moteur Diesel est moins bien adapté[10]. Par ailleurs, le choix de certains fabricants de véhicules hybrides est de réaliser un moteur thermique à pseudo-cycle d'Atkinson. En jouant sur un décalage de l'ouverture des soupapes, commandées électriquement, il est possible d'obtenir artificiellement un taux de détente de l'ordre de 1:13, tout en gardant un taux de compression compatible avec le carburant utilisé sans provoquer d'auto-allumage (le taux de compression par construction du moteur est de 1:13 mais la soupape d'admission reste ouverte en début de compression, de façon à limiter la compression de l'air admis à 1:8). L'allongement de la détente permet de récupérer plus d'énergie que sur un moteur à essence classique. L'avantage comparatif du Diesel est donc relativement moindre.

L'une des évolutions majeures des moteurs à allumage commandé réside dans l'utilisation d'un taux de compression variable. La société MCE-5 est à l'origine de cette technologie, qui équipe ses moteurs VCR MCE-5. Le principe du système est d'augmenter la pression pour accroître le rendement. Néanmoins, en raison du cliquetis, la pression est nécessairement limitée et calculée à pleine charge dans les hauts régimes, pour ne pas atteindre le « point de cliquetis ». Ceci implique donc un faible rendement à bas régime. Le MCE-5 résout ce problème en réduisant le volume de la chambre de combustion à bas régime. Ce volume varie continûment en fonction du régime moteur[11].

« Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et des engrenages à longue durée de vie »[12]. Hormis le principe même de variation de volume de la chambre de combustion, l'idée fondamentale du système réside justement dans cet agencement qui permet de réaliser un piston à la cinématique parfaitement verticale, débarrassée des contraintes radiales, principale source de frottements[11]^,[12].

Autre option technique permettant une réduction des émissions polluantes, les moteurs à cylindrée modulable – dont le nombre de cylindres en fonctionnement varie selon la charge – sont actuellement peu utilisés mais pourraient se généraliser dans le futur.

Le moteur à allumage commandé représente actuellement entre le tiers et la moitié du marché mondial. En 2007, la part des voitures à essence en Europe de l'Ouest était de 46,7 % en moyenne. Néanmoins, selon de récentes études, la proportion de l'essence aurait tendance à s'accroître en raison de l'hybridation électrique-essence, des motorisations essences plus performantes, d'une désaffection croissante des Diesels polluants, etc[13]. Dans les transports maritimes, la part des moteurs essence est de l'ordre de 20 % contre près de 50 % pour les moteurs Diesel léger[14].

Molécule d'octane modélisant l'essence.

La combustion du mélange air-essence dans un moteur à combustion interne est une transformation chimique, une oxydation exothermique vive du carburant et du dioxygène. L'octane est généralement utilisé comme molécule permettant de décrire une combustion de ce type. L'équation générale en tout point de l'espace de la combustion est alors fournie par la formule suivante :

${\displaystyle {\ce {2 C8H18 + 25 O2 -> 16 CO2 + 18 H2O}}}$

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 massique idéal air/essence pour le moteur à combustion interne est de 14,7:1, soit 14,7 g d'air pour 1 g de carburant. On parle alors de mélange stœchiométrie[N 4].

Il est important de préciser que cette équation suppose que le fluide est homogène en tout point de l'espace, ce qui n'est pas le cas dans la pratique. Il est difficile de modéliser intégralement la réaction de combustion qui se déroule dans la chambre, puisqu'il s'agit d'une combustion anarchique qui dépend du temps, de la température et de la turbulence du phénomène. Une analyse informatique découpant le problème en périodes d'une microseconde est néanmoins capable de tenir compte de la température et du temps, mais ne peut rendre compte du phénomène de turbulence car le fluide s'en trouve modifié en tout point de l'espace[15].

Le phénomène de cliquetis engendre une augmentation rapide et anormale de la pression.

Comme 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 supérieur à la température de vaporisation et qu'il s'agit d'un liquide volatil, l'essence peut être aisément injectée à l'air pour former un « mélange pratiquement homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné »[16]. Pour réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation, proche de 380 °C[17]. Les pressions dans le mélange atteignent des niveaux supérieurs à 30 bars.

Un délai d'auto-inflammation, c'est-à-dire la durée durant laquelle les conditions de combustion sont optimales avant d'atteindre l'auto-inflammation, est généralement prédéfini. Il est important que le point mort haut ou 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 ${\displaystyle \tau }$ en fonction de la pression ${\displaystyle \mathrm {P} }$, de la température ${\displaystyle \mathrm {T} }$, et de constantes ${\displaystyle \mathrm {A} }$, ${\displaystyle \mathrm {n} }$ et ${\displaystyle \mathrm {B} }$ dépendant de la composition de l'essence[18].

${\displaystyle \tau =\mathrm {A} \mathrm {P} ^{-n}\exp \left({\frac {\mathrm {B} }{\mathrm {T} }}\right)}$

Lors d'un phénomène de cliquetis, le mélange comprimé et chauffé par rayonnement peut s'enflammer sans avoir été atteint par le front de flamme, provoquant une combustion beaucoup plus rapide qu'à la normale. Ce phénomène a pour conséquence des pics de pression dans la chambre, synonyme de bruit et de contraintes élevées dans le moteur. Le cliquetis est principalement dû à l'avance à l'allumage[19].

Le dioxyde d'azote est particulièrement nocif pour la santé.

Lorsque la réaction du mélange air-essence est totale, les produits de combustion sont uniquement de l'eau et du dioxyde de carbone (CO₂). En pratique la combustion n'étant jamais complète, de nombreux hydrocarbures sont émis : des hydrocarbures partiellement brûlés tels que les aldéhydes, les cétones, les acides carboxyliques, le monoxyde de carbone (CO), mais également des produits de craquage thermique comme la suie, l'acétylène ou l'éthylène. Des polluants particulièrement nocifs pour la santé sont également émis, dont les plus connus sont les oxydes d'azote (NO_x). À la suite d'une exposition au rayonnement solaire, des oxydants (peroxydes organiques, ozone, etc.) se forment après la sortie du pot d'échappement[20].

Même si les produits de la combustion de l'essence sont nombreux, l'eau, le dioxyde de carbone et l'azote sont largement majoritaires. Ces gaz ne sont pas dangereux – sauf l'azote lorsqu'il est oxydé en NO_x – mais le CO₂ est particulièrement gênant en raison de sa contribution au phénomène d'effet de serre[20].

Afin de diminuer les émissions de polluants, un pot catalytique est placé en sortie d'échappement du moteur. Comme son nom l'indique, il s'agit d'un catalyseur ayant pour but de traiter chimiquement les gaz d'échappement afin de les rendre moins nocifs. Deux types de catalyseurs existent et ont des rôles différents. Les catalyseurs d'oxydation, qui facilitent l'oxydation du monoxyde de carbone et des hydrocarbures, et nécessitent, de ce fait, un excès d'air pour fonctionner, ce qui induit un mélange pauvre ou implique l'insufflation d'air secondaire ; les catalyseurs de réduction facilitent, quant à eux, la réduction des oxydes d'azote par déficit d'air[21].

L'ajout en série de ces deux types de catalyseurs se nomme « catalyseur à double lit ». Il permet de traiter efficacement l'ensemble des polluants émis par le moteur à allumage commandé. Les catalyseurs à double lit présentent l'inconvénient d'être onéreux, en raison d'un fonctionnement en mélange riche et de l'ajout d'un dispositif d'insufflation d'air secondaire. Une solution à ce problème réside dans l'utilisation d'un catalyseur à trois voies, régulé en boucle fermée en fonction de la richesse du mélange[21].

Les choix technologiques utilisés pour la conception du moteur à allumage commandé, tels que l'injection directe et les charges stratifiées ou homogènes, influent de façon significative sur la loi de combustion du mélange. Certains modèles se basent sur des lois empiriques, permettant d'établir facilement des relations de combustion, mais ne sont pas très exploitables par la suite, tandis que d'autres modèles font appel à des connaissances physiques de combustion[22]. L'objectif de la modélisation est de définir la fraction brûlée de carburant en fonction de paramètres physiques (expérimentaux ou théoriques). Certains logiciels informatiques, tel que « Thermoptim[23] », permettent de réaliser une modélisation assez réaliste.

Influence des paramètres ${\displaystyle a_{v}}$ et ${\displaystyle m_{v}}$ sur la fraction brûlée en fonction de l'angle du vilebrequin[24].

L'une des premières modélisations de la combustion consiste à considérer les lois empiriques de dégagement de chaleur, en supposant le gaz homogène dans toute la chambre de combustion. Le premier principe de la thermodynamique établit que l'énergie interne d'un gaz est la somme du travail ${\displaystyle W}$ et de la chaleur ${\displaystyle Q}$ échangés. En considérant le temps, on peut donc aisément établir la relation suivante de dégagement d'énergie, où ${\displaystyle C_{v}}$ est la capacité calorifique à volume constant, ${\displaystyle P}$ la pression et ${\displaystyle V}$ le volume de la chambre[25] :

${\displaystyle m_{\text{total}}C_{v}{\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} t}}={\frac {\mathrm {d} Q_{comb}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} Q_{parois}}{\mathrm {d} t}}-P{\frac {{\mathrm {d} }V}{{\mathrm {d} }t}}}$

Une courbe de Wiebe – voir illustration ci-contre – permet de formaliser le taux de dégagement d'énergie par la fraction de carburant brûlée ${\displaystyle x_{b}}$ en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin ${\displaystyle \theta }$, de l'angle de début d'allumage ${\displaystyle \theta _{all}}$, de la durée de combustion ${\displaystyle \Delta {\theta _{comb}}}$, ainsi que de paramètres ${\displaystyle a_{v}}$ et ${\displaystyle m_{v}}$ sur lesquels il est possible de jouer suivant les lois de combustion[25]^,[17].

${\displaystyle x_{b}=1-\exp \left[-a_{v}\left({\frac {\theta -\theta _{all}}{\Delta {\theta _{comb}}}}\right)^{m_{v}+1}\right]}$

La valeur ${\displaystyle a_{v}}$ désigne le pourcentage de masse de carburant brûlée par rapport à la masse introduite. Lorsque 99,9 % du carburant introduit est brûlé, ${\displaystyle a_{v}=6,908}$. Plus la valeur de ${\displaystyle a_{v}}$ est importante, plus la combustion est rapide et le pic de combustion important. La valeur de ${\displaystyle m_{v}}$ influence quant à elle le dégagement de chaleur. En effet, lorsque ${\displaystyle m_{v}}$ augmente, le pic de combustion est décalé et la combustion tardive. La loi de dégagement d'énergie est définie par deux indices : le ${\displaystyle CA50}$, angle du vilebrequin où 50 % de la masse est brûlée, et le ${\displaystyle HLC}$, hauteur de la loi de combustion[N 5]. Ces indices sont déduits des valeurs empiriques de ${\displaystyle a_{v}}$ et ${\displaystyle m_{v}}$.

Illustration d'un écoulement laminaire (a) et d'un écoulement turbulent (b).

Une approche plus physique de la combustion consiste à prendre en compte la propagation d'un front de flamme sphérique dans la chambre de combustion lors de l'allumage, ainsi que les phénomènes de turbulence. Le front de flamme se propage dans la chambre de combustion avec une vitesse de propagation, dénommée « vitesse de flamme laminaire » ${\displaystyle \mathrm {U} _{\mathrm {L} }}$ dans le cas d'un mélange homogène, perpendiculaire au front de flamme. Cette vitesse dépend des propriétés du carburant ainsi que des phénomènes de diffusion de la chaleur. Une épaisseur de flamme ${\displaystyle \delta }$, qui dépend de temps de combustion ${\displaystyle \tau _{comb}}$ et du coefficient de diffusion thermique ${\displaystyle \mathrm {d} _{th}}$, est généralement définie[26] :

${\displaystyle \delta \approx {\sqrt {\mathrm {d} _{th}\tau _{comb}}}\approx \mathrm {U} _{\mathrm {L} }\tau _{comb}}$

Dans le cas d'un écoulement turbulent, i.e. non laminaire, la vitesse ${\displaystyle \mathrm {U} _{\mathrm {T} }}$ fluctue selon le champ turbulent, défini par le nombre de Reynolds ${\displaystyle \mathrm {Re} }$ (a fortiori de la viscosité ${\displaystyle \nu }$) et la longueur de la turbulence ${\displaystyle \mathrm {l} }$[26] :

${\displaystyle \mathrm {U} _{\mathrm {T} }={\frac {Re\times \nu }{l}}}$

La combustion des gaz frais lors de la propagation du front de flamme est alors donnée par la formule suivante, définissant la masse de gaz brûlée en fonction de la surface du front ${\displaystyle A}$, de la masse volumique des gaz frais ${\displaystyle \rho }$ et d'une masse imbrûlée de gaz ${\displaystyle \chi }$ entraînée par la flamme[27]^,[28] :

${\displaystyle -{\frac {{\mathrm {d} }m_{b}}{{\mathrm {d} }t}}=\rho A\mathrm {U} _{\mathrm {T} }+{\frac {\chi }{\tau _{comb}}}}$

Le modèle de propagation du front de flamme développé par McCuiston et Lavoie considère que la propagation du front dans la chambre est définie par deux temps caractéristiques : un temps lié à la combustion et un temps lié à l'entraînement des gaz frais dans la zone de combustion. Lorsque l'étincelle surgit de la bougie d'allumage, elle enflamme le mélange. Dès lors, une masse ${\displaystyle m_{e}}$ de gaz frais est entraînée dans la zone de combustion selon une vitesse ${\displaystyle u_{e}}$, et est enflammée. Le présent modèle pose l'hypothèse que la distribution des fractions brûlées des masses entraînées est exponentielle[29] :

${\displaystyle m_{e}=\int _{0}^{t}\rho A_{f}u_{e}\,\mathrm {d} t'\rightarrow m_{b}=\int _{0}^{t}1-e^{-(t-t')/\tau _{comb}}\rho A_{f}u_{e}\,\mathrm {d} t'}$

avec ${\displaystyle A_{f}}$, la surface du front de flamme et ${\displaystyle \rho }$, masse volumique des gaz frais.

Schéma d'un système d'allumage électromécanique.

L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'un rupteur réalisant des coupures intermittentes de courant dans l'alimentation du primaire d'une bobine alimentant par son secondaire en haute tension à tour de rôle les bougies d'allumage via le distributeur Delco. L'ensemble rupteur-distributeur est appelé allumeur. Le rupteur et le distributeur sont entraînés par un rotor, lui-même lié à l'arbre à cames[30].

Dans les années 1970, le rupteur a été associé à un transistor, puis remplacé par un capteur à effet Hall, augmentant la fiabilité et la qualité de l'allumage[31].

L'énergie électrique nécessaire est fournie par un générateur sous la forme d'une dynamo ou d'un alternateur, entraîné par le moteur, charge une batterie permettant de fournir de façon continue une tension de 12 volts. Le courant continu du primaire de la bobine d'allumage est commandé par le rupteur. Lors de son ouverture la bobine transforme cette interruption de courant au primaire en une impulsion haute tension au secondaire, allant de 6 000 à 25 000 V[32]. Placé en parallèle sur le rupteur, un condensateur permet de réduire les arcs électriques destructeurs pour le rupteur, et offre une rupture franche, augmentant ainsi la tension dans le circuit secondaire alimentant la bougie d'allumage, équipée d'électrodes entre lesquelles l'étincelle jaillit[30].

Le faisceau d'allumage, ici en jaune, relie l'allumeur aux bougies d'allumage.

L'allumage électronique est actuellement la solution technique la plus utilisée, car elle est plus performante. Un calculateur moteur dispose d'une bobine par bougie ou pour deux bougies ; l'allumage ne se fait que lorsque cela est nécessaire grâce à l'électronique. Un capteur placé en regard de dents sur le pourtour du volant moteur permet de déterminer le régime moteur ainsi que le point mort haut de chaque piston. La charge est, quant à elle, calculée en fonction de la pression régnant dans la tubulure d'admission, comparé à la pression atmosphérique (mesurée par un capteur piézo-résistif). Les données de régime et de charge sont traitées par le calculateur, qui définit la bobine à commander et l'angle d'allumage optimal grâce à une cartographie stockée dans sa mémoire[33].

Distributeur d'allumage. En haut, la tête de Delco, à gauche, le distributeur, et à droite, le rupteur.

Sur les automobiles, il était habituel d'utiliser une seule bobine pour tous les cylindres et de distribuer la haute tension nécessaire pour générer les étincelles dans les bougies, au moyen d'un Delco. Ce « distributeur rotatif », dont chacun des plots correspond à une bougie, est inventé en 1899 par le Français Léon Lefebvre[34], mais il n'est industrialisé qu'en 1908 par les Américains Edward Deeds et Charles F. Kettering, qui fondent la Delco Company et commercialisent le distributeur sous le nom de Delco[35].

Bobines générant la haute tension nécessaire à la production d'étincelles par les bougies.

Sur les motocyclettes 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 peut n'être équipé que de deux bobines et deux rupteurs.

θ désigne l'avance à l'allumage.

Lors du déclenchement de l'étincelle par la bougie d'allumage, seule une petite fraction du carburant est immédiatement brûlée. 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 lorsque la pression augmente[36]^,[17].

Il est ainsi important de déclencher l'étincelle avant que le piston n'atteigne le point mort haut (PMH) sous peine de passer le PMH avant la combustion complète du mélange, et de perdre une part importante du rendement. En revanche un allumage trop précoce risque de provoquer la rupture d'éléments mécaniques[36]. L'avance à l'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 quantifiée en termes de temps, mais il est plus pertinent de mesurer l'angle que forme la bielle par rapport à l'axe du piston, angle facile à reporter sur la tranche du volant moteur afin de faciliter le contrôle et le réglage du point d'allumage[37]. L'avance à l'allumage de base sur les automobiles est d'environ 10°.

Cartographie de l'avance à l'allumage du moteur.

Les avances à l'allumage les plus favorables, dénommées généralement « avances optimales »[38], 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 alors de « retard à l'allumage »[N 6]. 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, avec ici ${\displaystyle \theta }$ désignant l'avance à l'allumage et ${\displaystyle n}$ le nombre de tours par minute.

${\displaystyle \theta ={\frac {n\times 360}{60\times 1000}}}$

Historiquement, la commande d'avance était manuelle (levier au guidon des motocyclettes Norton ou au tableau de bord des Bugatti, etc.). Par la suite, elle fut généralement assurée par le Delco incuant un mécanisme centrifuge et à depression. 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 vérifier les valeurs de l'avance à l'allumage moteur tournant, une lampe stroboscopique est connectée, à l'aide d'une pince à induction, sur le câble haute tension de la bougie du cylindre numéro un ; la lampe émet alors un flash lumineux lors de la commande de la bougie numéro un. En dirigeant le faisceau lumineux du stroboscope sur la fenêtre du carter d'embrayage, on peut visualiser le repère de point mort haut du cylindre n^o 1 gravé sur le volant moteur en regard des graduations d'avance inscrites en bordure du carter[39].

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 brûlée lors de l'avance, augmentant le pic de pression ainsi que le temps de séjour des gaz brûlés à haute température dans la chambre, deux conditions propices à la formation de NO[40].

• Emmanuelle Faure et Jean-Claude Guibet, Carburants et moteurs, Éditions Technip, 1997 (ISBN 978-2-7108-0705-6, lire en ligne)
• Raymond Brun, Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, vol. 1, Éditions Technip, 1981 (ISBN 978-2-7108-0412-3, lire en ligne), chap. III (« Combustion »)
• Robert Bosch, Mémento de technologie automobile, Éditions Technip, 2002, 1231 p. (ISBN 978-3-934584-80-8)
• Philippe Guibert, Modélisation du cycle moteur : Approche zérodimensionnelle, Les Techniques de l'Ingénieur, 2005
• Jean Trapy, Moteur à allumage commandé, Les Techniques de l'Ingénieur, 2000
• Christian Bromberger et Denis Chevallier, Carrières d'objets : innovations et relances, Éditions MSH, 1999 (ISBN 978-2-7351-0846-6, lire en ligne)

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