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L'admission d'air d'un moteur : comment ça marche ?

Pour provoquer la combustion dans un moteur thermique il faut deux éléments clés : le carburant et le comburant. Nous allons nous attacher ici à observer la manière dont arrive le comburant dans le moteur, à savoir l'oxygène présent dans l'air.

Exemple d'admission d'air d'un moteur moderne

Alimentation d'air : quel chemin parcourt le comburant ?

L'air qui est envoyé jusqu'à la chambre de combustion doit passer dans un circuit sur lequel se trouve plusieurs éléments déterminants, voyons-les maintenant.

1) Filtre à air

La première chose que croisera le comburant admis dans un moteur sera le filtre à air. Ce dernier a la charge de coincer et retenir le plus de particules possibles afin d'éviter qu'elles n'aillent pas abîmer les entrailles du moteur (chambre de combustion). Cependant il existe plusieurs réglages / calibres de filtres à air. Plus un filtre retiendra de particules, moins il laissera l'air passer facilement : cela réduira un peu la puissance du moteur (qui respire alors un peu moins bien) mais cela améliorera la qualité de l'air qui entrera dans le moteur (moins de particules parasites). A l'inverse, un filtre qui laisse passer beaucoup d'air (débit important) améliorera les performances mais laissera entrer plus de particules.
Il doit être changé régulièrement car il finit par se colmater.

2) Débitmètre d'air

Sur les moteurs modernes, ce capteur permet d'indiquer au calculateur moteur la masse d'air qui arrive dans le moteur ainsi que sa température. Avec ces paramètres en poche, le calculateur saura comment piloter l'injection et le papillon (essence) pour que la combustion soit parfaitement réglée (richesse du mélange air/carburant).
En s'encrassant il n'envoie plus les bonnes données au calculateur : perte de puissance à la clé.

3) Carburateur (moteur essences anciens)

Sur les moteurs essence plus anciens (jusque dans les années 90), on trouve un carburateur qui cumule deux fonction : mélanger le carburant à l'air et moduler le débit d'air qui entre dans le moteur (le fait d'accélérer). Son réglage pouvait parfois être fastidieux ... Aujourd'hui c'est le calculateur qui dose lui-même le mélange air/carburant (votre moteur s'adapte donc désormais tout seul aux changements de conditions atmosphériques : montagne, plaine etc.).

4) Turbocompresseur (facultatif)

Destiné à augmenter les performances du moteur, il va permettre d'envoyer plus d'air dans le moteur. Au lieu de se limiter à l'aspiration naturelle du moteur (par le mouvements des pistons), on ajoute un système qui va en plus "souffler" beaucoup d'air à l'intérieur. De cette manière, on peut alors aussi augmenter la quantité de carburant et donc la combustion (combustion plus intense = plus de puissance). Un turbo marche bien dans les hauts régimes car il s'alimente par les flux d'échappement (plus importants à haut régime). Un compresseur (supercharger) est identique au turbo sauf qu'il s'alimente par la force du moteur (du coup il tourne moins vite mais fonctionne plus tôt dans les tours : le couple à bas régime est meilleur).
Il existe des turbos statiques et des turbos à géométrie variable.

5) Echangeur / Intercooler (facultatif)

Dans le cas d'un moteur turbo, on fait en sorte de refroidir l'air envoyé par le compresseur (le turbo donc) car ce dernier a été légèrement chauffé lors de sa compression (un gaz comprimé chauffe naturellement). Mais surtout, refroidir l'air permet d'en insérer plus dans la chambre de combustion (un gaz froid prend moins de place qu'un gaz chaud). Il s'agit donc ici d'un échangeur : on fait passer l'air à refroidir dans un compartiment qui est collé à un autre plus froid (qui est lui-même refroidi par de l'air frais extérieur [air/air] ou par de l'eau [air/eau])

6) Boitier papillon (essence sans carburateur)

Les moteurs essence fonctionnent grâce à un mélange bien précis entre air et carburant, il faut donc un volet papillon pour réguler l'air qui entre dans le moteur. Le diesel fonctionnant en excès d'air n'en a pas besoin (les moteurs diesels modernes en ont un mais pour des raisons autres et presque anecdotiques).
Quand on accélère avec un moteur essence il faut à la fois doser l'air et le carburant : mélange stoechiométrique avec un rapport de 1 / 14.7 (carburant / air). Donc dans les bas régimes où il faut peu de carburant (car on souhaite un filet de gaz), on est obligé de filtrer la quantité d'air qui arrive pour ne pas qu'elle soit en excès. En revanche, quand on accélère avec un diesel on ne fait que varier l'injection de carburant dans les chambres de combustion (sur les versions avec turbo, la suralimentation se met aussi à envoyer plus d'air dans les cylindres).

7) collecteur d'admission

Le collecteur d'admission est l'une des toutes dernières étapes du chemin parcouru par l'air admis. Il s'agit ici de répartir l'air qui arrive dans chaque cylindre : le chemin se divise alors en plusieurs voies (dépend du nombre de cylindres dans le moteur). Un  capteur de pression et de température permet au calculateur de piloter plus finement le moteur. La pression dans le collecteur est basse sur les essences à faible charge (papillon pas totalement ouvert, faible accélération)  tandis qu'elle est toujours positive (> 1 bar) sur les diesels. Voir plus dans l'article bas pour comprendre.
Sur les essences à injections idirecte, les injecteurs sont placés sur le collecteur pour vaporiser le carburant à cet endroit. Il existe alors des versions monopoint (plus vieux) et multipoint : voir ici.
Certains éléments sont reliés à la tubulure d'admission :

• Vanne EGR : une vanne EGR est présente sur les moteurs modernes, elle permet de renvoyer une partie des gaz vers le collecteur d'admission pour qu'ils passent de nouveau dans les cylindres (permet de réduire le pollution : NOx grâce au refroidissement de la combustion. Moins d'oxygène).
• Reniflard : les vapeurs d'huile émanant du carter sont renvoyées vers l'admission

8) Soupape admission

C'est la dernière étape, l'air entre dans le moteur par une petite porte nommée soupape d'admission qui s'ouvre et se ferme continuellement (selon le cycle à 4 temps).

Comment le calculateur fait-il le mélange juste ?

Le calculateur du moteur permet de doser tous les "ingrédients" de manière juste grâce aux informations que lui apportent les différents capteurs / sondes. Le débitmètre indique la masse d'air entrante et sa température. Le capteur de pression dans la tubulure d'admission permet de connaître la pression de la suralimentation (turbo) en modulant cette dernière grâce au wastegate. La sonde lambda dans l'échappement permet de voir ce qu'a donné le résultat du mélange en étudiant la contenance des gaz d'échappement.

Topologies / Types de montages

Voici quelques montages selon le carburant (essence / diesel) et l'âge (moteurs plus ou moins vieux).

Ancien moteur essence atmosphérique à carburateur

Voici un moteur atmosphérique essence assez ancien (années 80/90). L'air arrive par le filtre et le mélange air/carburant est effectué par un carburateur.







Ancien moteur essence turbo à carburateur








Moteur essence moderne atmosphérique injection indirecte

Ici le carburateur est remplacé par un boîtier papillon et des injecteurs. Le modernisme fait que le moteur est contrôlé électroniquement. Il y a donc des sondes pour tenir au courant le calculateur







Moteur essence moderne atmosphérique injection directe

Ici l'injection est directe car les injecteurs pointent directement dans les chambres de combustion







Moteur essence moderne turbo injection directe

Sur un moteur essence récent








Moteur diesel injection directe et indirecte

Le moteur diesel voit ses injecteurs placés dans la chambre de combustion que ce soit en directe ou indirecte (en indirecte il y a une préchambre connectée à la chambre principale, mais pas d'injection dans l'admission comme sur les essence à injection indirecte). Voir ici pour plus d'explications. Ici, le schéma concerne plutôt les versions plus anciennes à injection indirecte




Moteur diesel injection directe

Les diesels modernes sont généralement à injection directe et dotés d'une suralimentation par compresseur. Tout un tas d'éléments viennent s'ajouter pour dépolluer (vanne EGR) et contrôler le moteur par l'électronique (calculateur et capteurs)

Moteur essence : dépression à l'admission

Vous le savez déjà certainement, la tubulure d'admission d'un moteur essence a une basse pression la majorité du temps, c'est à dire que la pression est située entre 0 et 1 bar. 1 bar représente (à peu près) la pression atmosphérique sur notre planète au niveau du sol, donc c'est la pression dans laquelle nous vivons. Notez aussi qu'une pression négative n'existe pas, le seuil est zéro : le vide absolu. Dans le cas d'un moteur essence, il faut limiter l'apport d'air dans les bas régimes afin que le rapport comburant / carburant soit respecté (mélange stoechiométrique). Attention toutefois, la pression devient alors égale à celle de notre atmosphère basse (1 bar) quand on est en pleine charge (accélérateur à fond : papillon ouvert au maximum). Cela va même dépasser le bar pour atteindre 2 bars si il y a une suralimentation (turbo qui souffle de l'air et finit par le pressuriser dans l'admission).

Admission DIESEL

Sur un diesel la pression est au moins à 1 bar puisque l'air entre comme il veut dans l'admission. Il faut donc comprendre que le débit change (selon le régime) mais que la pression reste identique.




Admission ESSENCE
(Faible charge)

Quand on accélère peu le boitier papillon n'est pas très ouvert afin de limiter l'afflux d'air. Cela provoque une sorte de bouchon. Le moteur aspire de l'air d'un côté (par la droite) tandis que le papillon limite le débit (gauche) : il y a comme mise sous vide de l'admission et la pression se trouve alors entre 0 et 1 bar.


(Charge élevée)

Lorsqu'on est en pleine charge (accélérateur à fond) la papillon s'ouvre au maximum et il n'y a plus d'effet de bouchon. Si il y a un turbo qui souffle, la pression atteindra même les 2 bars (c'est approximativement la pression qu'il y a dans vos pneus).

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