Voir la source de Moteur à allumage commandé

{{Article général|Moteur à combustion et explosion}} 
[[Fichier:Engine explosion.gif|vignette|Combustion dans un cylindre à soupapes latérales.]]
Un '''moteur à allumage commandé''', plus communément appelé '''moteur à [[essence (hydrocarbure)|essence]]<ref group=N>Bien qu'il puisse fonctionner avec tous les liquides ou gaz inflammables, avec plus ou moins de succès.</ref>''' en raison du type de carburant le plus fréquemment utilisé, est une famille de [[moteur à combustion et explosion|moteurs à explosion]], pouvant être à mouvement alternatif (à [[Moteur à deux temps|deux]] ou [[Cycle de Beau de Rochas|quatre temps]]) ou plus rarement à [[moteur à piston rotatif|mouvement rotatif]] (comme le [[moteur Wankel]]).

Contrairement au [[moteur Diesel]], le mélange combustible d'un moteur à allumage commandé n'est pas censé s'enflammer spontanément<ref group=N>Pour cela, il faut que les règles de compression et d'[[indice d'octane]] du carburant utilisé soient correctes.</ref> lors du fonctionnement, mais sous l'action d'une étincelle provoquée par la [[bougie d'allumage]]. Il est donc équipé d'un système complet d'[[Allumage (moteur automobile)|allumage]], composé d'une bougie, qui provoque l'[[arc électrique]] enflammant les gaz dans la [[chambre de combustion]], d'une [[bobine d'allumage|bobine dite ''d'allumage'']] servant à produire les hautes tensions nécessaires à la création de l'étincelle, et d'un système de commande de l'allumage ([[Delco|rupteur]] ou [[allumage électronique|système électronique]]).

L'ingénieur belge [[Étienne Lenoir]] fabrique en 1860 le premier moteur à allumage commandé. C'est un moteur à deux temps, de rendement très médiocre, mais qu'il fabriquera à quelque quatre cents exemplaires, ce qui fera de lui le premier industriel de cette technique. Le physicien [[Alphonse Eugène Beau|Beau de Rochas]] décrit en 1862 le fonctionnement des moteurs à quatre temps, mais il faut attendre 1872 pour que l'Allemand [[Nikolaus Otto]] en fabrique un, commençant ainsi une longue série d'innovations.

[[Fichier:Automobile Engine.jpg|thumb|Les moteurs à allumage commandé équipent de très nombreux véhicules terrestres, notamment des automobiles et des motocyclettes.]]

== Histoire ==
=== Naissance ===
[[Fichier:Nicolaus-August-Otto.jpg|thumb|left|upright=0.7|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 {{Citation|système de moteur à air [[Moteur à deux temps|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<ref name="carb2">{{harvsp|Faure|Guibet|1997}}, Quelques jalons de l'histoire des moteurs, {{p.|124-125}}.</ref>.

Il faut attendre le {{Date|16|janvier|1862}} pour que le physicien [[Alphonse Eugène Beau|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 l'allumage|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 (entreprise)|Daimler]], [[Benz & Cie|Benz]], [[Peugeot]], [[Renault]], [[Panhard & Levassor]], etc<ref name="carb2" />.) ainsi que sur des motos ([[Harley-Davidson]], [[Indian]], [[Triumph (entreprise)|Triumph]], etc.).

=== Naissance de différentes architectures ===
{{Article détaillé|Architecture des moteurs à pistons}}
[[Fichier:Moteur en étoile.jpg|thumb|Photographie d'un [[moteur rotatif]] en étoile équipant les avions de la [[Première Guerre mondiale]].]][[Fichier:Megola Sport.jpg|vignette|Moto [[Megola]] avec moteur rotatif sur la roue avant (début des années 1920).]]Développant un temps moteur par tour, les [[Cycle à deux temps|moteurs deux temps]] ont, en théorie, un avantage sur les [[wikt:quatre-temps|quatre temps]] (un temps moteur tous les deux tours). Néanmoins, leur développement stagne jusqu'au début du {{s-|XX|e}} tandis que les performances des moteurs quatre temps ne cessent de s'accroître. Les applications du moteur deux temps se multiplient alors sur les [[motocyclette]]s, 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<ref>{{Lien web|url=http://www.motorlegend.com/entretien-reparation/moteur-voiture/le-moteur-a-deux-temps/8,11636.html|titre=Technique : Le moteur deux temps|page=1|site=Motorlegend|consulté le=24 mai 2009}}.</ref>.

Durant près d'un siècle, l'architecture des moteurs va considérablement évoluer. Les quatre cylindres {{Citation|en V}} font leur apparition dans les années [[1900]] en course automobile, sur des modèles [[Mors (automobile)|Mors]] et [[Clément Ader|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]], [[Carl Benz]] met au point le {{Citation|Kontra}}, premier [[Boxer (moteur)|moteur de type boxer]]. Il s'agit d'un moteur à deux cylindres opposés qui connaitra une large diffusion. Par la suite, les moteurs boxer trouvent de multiples applications dans le domaine automobile et seront notamment popularisés par la [[Volkswagen Coccinelle]] ou encore par les motos [[BMW Motorrad|BMW]]. En effet, en raison de leur architecture à cylindres opposés, ces moteurs offrent, mieux que les moteurs en ligne ou en V, la possibilité d'abaisser fortement le centre de gravité et d'améliorer ainsi le comportement dynamique du véhicule<ref>{{Lien web|url=http://www.motorlegend.com/entretien-reparation/moteur-voiture/le-moteur-boxer/8,11626.html|titre=Technique : Le moteur boxer|site=Motorlegend|consulté le=24 mai 2009}}.</ref>. Une autre disposition, bien adaptée à l'aviation et à un grand nombre de cylindres, est le moteur en étoile. 

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]]. Des moteurs rotatifs équiperont également quelques motos, placés dans une des roues, sans grand succès<ref>{{Lien web |titre=Gnome, Rhône, Gnome-Rhône le B.A.-ba des motoristes aéronautiques français |url=http://www.comptoir-aviation.com/le_comptoir_de_laviation/2009/04/peu-nombreux-sont-les-amateurs-daviation-qui-ne-connaissent-pas-la-marque-gn%C3%B4me-rh%C3%B4ne-plus-nombreux-sont-ceux-qui-ignorent.html |site=Le comptoir de l'aviation |consulté le=4 juin 2009}}.</ref>.
[[Fichier:Wankel Rotary Engine Mazda RX-7.jpg|gauche|vignette|upright|Moteur Wankel de Mazda RX-7.]]
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 {{Date|20|décembre|1951}}, Wankel et [[NSU Motorenwerke AG|NSU]] signent un contrat d'association qui a pour objet le moteur à piston rotatif, dénommé [[moteur Wankel]]<ref>{{Lien web|url=http://www.rotativementvotre.org/chronologie-moteur-piston-rotatif-et-wankel.php|titre=Histoire des moteurs à piston rotatif, de 1588 à Félix Wankel|site=rotativementvotre.org|consulté le=3 mai 2009}}.</ref>. En 2016, seul le constructeur [[Mazda (automobiles)|Mazda]] produit en série des véhicules équipés d'un tel moteur, mais ce type de moteur a parfois été utilisé sur des motos, comme la [[Suzuki RE-5 Rotary|Suzuki RE-5]] ou la [[Hercules (constructeur de motos)|Hercules]] W-2000 au milieu des années 1970.

=== Évolution des techniques ===
[[Fichier:Daewoo Matiz F8C motor curves and functional zones-fr.svg|thumb|upright=1.5|Graphique de performances (puissance, couple, consommation) d'une [[Daewoo Matiz]] de {{Unité|796|cm|3}}.]]

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.

==== Allumage ====

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]]<ref group=N>Afin de supprimer l'usure des vis platinées.</ref>, et le passage à l'[[allumage électronique]], vers [[1980]]<ref>{{Lien web|url=http://www.motorlegend.com/entretien-reparation/electricite-automobile/l-allumage/8,11780.html|titre=Technique : L'allumage|site=Motorlegend|en ligne le=4 juillet 2005|consulté le=15 juin 2009}}.</ref>.

==== Alimentation carburant ====
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]]. Cet organe réalise le mélange comburant/carburant et après introduction de ce mélange homogène dans la chambre de combustion, son inflammation est initiée par une étincelle commandée. La combustion se traduit par la propagation d'un front de flamme qui balaye toute la chambre.

Le carburateur est désormais supplanté par l'[[injection (moteur)|injection indirecte]], qui se répand à partir de [[1960]], car c'est une des rares techniques permettant de respecter les [[Norme de qualité de l'air#Air des émissions (ou des rejets)|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. Les moteurs à essence à injection indirecte fonctionnent en grande majorité à la [[stœchiométrie]] de la même manière que les carburateurs. 

Avec la technique d'injection directe d'essence, 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 de combustion, à proximité de la bougie, avant la fin de compression de l'air précédemment admis<ref>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Erik Eckermann|titre=World history of the automobile|éditeur=[[SAE International|SAE]]|année=2001|pages totales=371|passage=164-165|isbn=978-0-7680-0800-5}}.</ref>. Il n’y a plus de pré-mélange air-carburant, il s’agit alors d’un mélange dit stratifié ou hétérogène. La combustion est toujours initiée par une étincelle commandée. Cela présente des avantages en termes de [[Rendement d'un moteur à explosion|rendement]]. 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 depuis les années 2000 par les différents concepteurs de moteurs<ref>{{Lien web|langue=fr|titre=Injection directe d'essence - Lexique|url=https://www.automobile-magazine.fr/lexique/117-injection-directe-d-essence|site=L'Automobile Magazine|consulté le=2019-11-22}}</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=fr|titre=Comprendre les enjeux de la technique : l'injection directe essence - Plus on est de fous...|url=https://www.challenges.fr/automobile/dossiers/comprendre-les-enjeux-de-la-technique-l-injection-directe-essence-plus-on-est-de-fous_411257|site=Challenges|consulté le=2019-11-22}}</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=fr|nom1=É|prénom1=T.|titre=Le moteur essence ne sent plus le soufre|url=https://www.lefigaro.fr/automobile/2006/11/03/03001-20061103ARTFIG90031-le_moteur_essence_ne_sent_plus_le_soufre.php|site=Le Figaro.fr|date=2006-11-03|consulté le=2019-11-22}}</ref>{{,}}<ref>{{Article |langue=fr |auteur1=Christian Guyard |nom1= |titre=Désulfurer les carburants |périodique=Industrie & technologies |date=2004-10-01 |issn= |lire en ligne=https://www.industrie-techno.com/article/desulfurer-les-carburants.15118 |consulté le=2019-11-22 |pages= }}</ref>. 

Les moteurs Diesel fonctionnent avec un excès d'air. Le gazole est injecté sous pression dans une masse d'air préalablement comprimée. La combustion s'initie par auto-inflammation (allumage par compression). La combustion est dite stratifiée ou hétérogène car elle a lieu dans un milieu constitué à la fois de zones très riches en carburant (situées notamment près du nez d'injecteur) et de zones très pauvres (près de la paroi du cylindre).

==== Soupapes ====
Les premiers moteurs à allumage commandé et à quatre temps utilisaient des [[soupape (moteur)|soupapes]] latérales, en opposition ou accolées, dont celle d'admission n'était généralement commandée que par la dépression créée par le mouvement du [[piston (mécanique)|piston]]. Cette technique utilise un ou deux [[Arbre à cames|arbres à cames]] et permet une grande proximité, donc un petit nombre de pièces en mouvement, entre le [[vilebrequin (moteur)|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 de moteur|culasse]], en tête de cylindre — technique OHV, pour {{citation étrangère|lang=en|Overhead Valves}}. Leur commande utilise des tiges et des [[culbuteur]]s conservant un unique arbre à cames proche du vilebrequin. 

Enfin, et c'est la méthode la plus commune présente sur les véhicules sportifs, 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 (arbre à cames en tête, ou [[OHC]], pour {{citation étrangère|lang=en|Overhead Camshaft}}), grâce aux progrès de la distribution et des ressorts, permet de mieux maîtriser le problème qu'est l'[[affolement de soupapes|affolement des soupapes]] à haut régime. L'{{lien|lang=it|trad=Isotta Fraschini Tipo KM|fr=Isotta Fraschini Tipo KM|texte=Isotta Fraschini Tipo KM}}, construite en Italie de 1910 à 1914, a été l'une des premières voitures de série à utiliser un moteur 1ACT<ref>{{Lien web |titre=1913 Isotta Fraschini 100-120 hp Tipo KM 4 Four-Seat Torpedo Tourer - Auction Lot |url=http://www.motorbase.com/auctionlot/profile/2008/08/15/316-1913-isotta-fraschini-100-120-hp-tipo-km-4-four-seat-torpedo-tourer/ |série=motorbase.com |consulté le=29 décembre 2019}}.</ref>.

Le centrage de la bougie étant crucial pour optimiser la combustion, les systèmes, comme le double arbre à cames en tête ([[DOHC]]), qui laissent cet espace central libre, sont depuis [[1990]] très répandus<ref>{{Lien web|url=http://gazoline.net/article.pcgi?id_article=673|titre=La culasse et ses pièces|site=Gazoline|auteur=Jean-Jacques Dupuis|consulté le=15 juin 2009}}.</ref>. L'[[Alfa Romeo 1900]] utilise dès 1950 un moteur à double arbre à cames en tête de {{unité|1884 cm3}} pour {{unité|90 ch}}.

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, voire 5, 6 ou 8, afin d'améliorer le remplissage (admission) et le dégazage (échappement) de la chambre de combustion.

=== Nouvelles politiques anti-pollution ===
{{Article détaillé|Automobile hybride|Downsizing (mécanique)}}
[[Fichier:Hybrid Synergy Drive.jpg|thumb|Illustration de la technologie hybride [[Hybrid Synergy Drive|HSD]] sur une [[Toyota Prius]].]]

Au début du {{s-|XXI|e}}, en raison de la raréfaction des ressources en [[pétrole]] et des politiques anti-pollution particulièrement sévères sur les émissions de [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]], la nouvelle tendance pratiquée par les constructeurs automobiles en matière de motorisation est le ''[[Downsizing (mécanique)|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 [[moteur V6|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 de carburant est considérablement réduite et les émissions de [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] sont ramenées à un niveau similaire aux moteurs Diesel équivalents. L'inconvénient du système résulte de l'utilisation même d'un [[compresseur mécanique|compresseur]] ; en effet, afin d'éviter le phénomène de [[cliquetis]], le rendement à très hauts régimes est dégradé<ref>{{Lien web|url=http://www.automobile-sportive.com/technique/innovationsmoteurs.php|titre=Downsizing : turbo et injection directe|site=L'automobile sportive|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>.

Depuis peu, l'[[Automobile hybride électrique|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 du carburant 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<ref>{{Lien web|url=http://www.cartech.fr/news/l-hybride-le-moteur-mi-electrique-mi-essence-39363765.htm|titre=L’hybride, le moteur mi-électrique, mi-essence|site=Cartech|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>.
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.

=== Innovations futures ===
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 [[Moteur MCE-5|moteurs VCR MCE-5]]. Le principe du système est d'augmenter la pression pour accroître le [[rendement (physique)|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]]<ref name="chal">{{Lien web|url=http://automobile.challenges.fr/dossiers/2486/article_p1.html|titre=Taux de compression variable MCE-5|site=Challenges|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>.

{{Citation|Le MCE-5 est un agencement hybride entre un mécanisme bielle-manivelle et des engrenages à longue durée de vie}}<ref name="spor">{{Lien web|url=http://www.automobile-sportive.com/news.php?page=le-moteur-vcr-mce5-a-taux-de-compression-variable-20080415|titre=Le moteur VCR MCE-5 à taux de compression variable|site=L'automobile sportive|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>. 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]]<ref name="chal" />{{,}}<ref name="spor" />.

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.

=== Marché mondial ===
{{Article détaillé|Marché pétrolier}}

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 moteurs Diesel polluants, etc<ref>{{Lien web|url=http://www.ccfa.fr/revue-de-presse/allemagne/la-part-des-voitures-diesel-s-etablirait-a-30-d-ici-a-2020.html?var_recherche=di%C3%A9sel&maj=oui|titre=La part des voitures Diesel devrait passer à 30 % d’ici à 2020|site=CCFA|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>. Dans les transports maritimes, la part des moteurs essence est de l'ordre de 20 % contre près de 50 % pour les moteurs Diesel léger<ref>{{Lien web|url=http://www.ifp.fr/content/download/67677/1470150/version/4/file/Panorama2009_05-Energies_pour_transport.pdf|titre=Les énergies pour les transports : avantages et inconvénients|consulté le=4 juin 2009}}.</ref>.
{{clr}}

== Combustion ==
=== Généralités ===
[[Fichier:Octane-3D-balls.png|left|thumb|Molécule d'[[octane]] modélisant l'[[essence (hydrocarbure)|essence]].]]
La combustion du mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne est une transformation chimique, une [[oxydation]] [[exothermique]] vive du carburant et du dioxygène (20,95 % de {{O2}} dans l'air). 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 :

:<chem>2 C8H18 + 25 O2 -> 16 CO2 + 18 H2O</chem>

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/octane pour le [[moteur à combustion interne]] est de {{nombre|14.7}}:1, soit {{Unité|14.7|g}} d'air pour {{Unité|1|g}} de carburant. On parle alors de [[stœchiométrie|mélange stoœchiométrique]]<ref group=N>Le mélange est dit {{Citation|pauvre}} si l'air est en excès par rapport à l'essence, et le mélange est {{Citation|riche}} si c'est l'essence qui est en excès.</ref>. 
[[Fichier:Ethanol-3D-vdW.png|right|thumb|Molécule d'[[éthanol]].]]
Spécificité de l'éthanol : Le rapport stœchiométrique est différent : 1/9.8, il est donc nécessaire d'injecter 1,5 fois plus de carburant par rapport à l'octane.
:<chem>C2H6O + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O</chem>

Il est important de préciser que cette équation suppose que le [[Fluide (matière)|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 de combustion|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<ref>{{harvsp|Brun|1981}}, Le Te-Theta-Tau de la combustion, {{p.|90}}.</ref>.

=== Auto-inflammation ===
[[Fichier:Cliquetis graph.gif|thumb|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 [[volatilité (chimie)|volatil]], l'essence peut être aisément injectée à l'air pour former un {{Citation|mélange pratiquement homogène, constant en qualité et en quantité pour un régime donné}}<ref>{{harvsp|Brun|1981}}, Essence, {{p.|91}}.</ref>. Pour réaliser la combustion, le mélange doit atteindre sa température d'inflammation, proche de {{tmp|380|°C}}<ref name="pdf">{{Lien web|format=pdf|url=http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/autocompetences/2_ressources_pedagogiques/5_energie_electrique/stockage_le%E7ons_technologie/systemes-allumage.pdf|site=ac-nancy-metz.fr|titre=Les systèmes d'allumage des moteurs essence|page=4|consulté le=28 avril 2009|brisé le=}}.</ref>. Les pressions dans le mélange atteignent des niveaux supérieurs à {{unité|30|[[bar (unité)|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 [[Points morts (mécanique)|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 <math>\tau</math> en fonction de la pression <math>\mathrm P</math>, de la température <math>\mathrm T</math>, et de constantes <math>\mathrm A</math>, <math>\mathrm n</math> et <math>\mathrm B</math> dépendant de la composition de l'essence<ref>{{harvsp|Brun|1981}}, Délai d'auto-inflammation, {{p.|168}}.</ref>.

: <math>\tau = \mathrm A \mathrm P^{-n} \exp\left(\frac{\mathrm B}{\mathrm T}\right)</math>

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|avance à l'allumage]]<ref>{{Ouvrage|langue=fr|auteur1=Vanessa Picron |et al.=oui |titre=Allumage commandé pour moteur à prémélange|sous-titre=nécessité et principe|éditeur=[[Éditions techniques de l'ingénieur|Les Techniques de l'Ingénieur]] |année= |isbn= |passage=« Type de combustion anormale », {{p.|4}} }}.</ref>.

=== Modélisation ===
Les choix technologiques utilisés pour la [[conception d'une automobile|conception]] du moteur à allumage commandé, tels que l'[[injection (moteur)|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 [[Loi empirique|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<ref>{{harvsp|Guibert|2005}}, Sous modèle de combustion, {{p.|2}}.</ref>. 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<ref>[http://direns.mines-paristech.fr/Sites/Thopt/fr/co/_Arborescence_web.html Bienvenue sur le portail Thermoptim-UNIT !], sur mines-paristech.fr, consulté le 9 décembre 2017.</ref> », permettent de réaliser une modélisation assez réaliste.

==== Loi de dégagement d'énergie ====
[[Fichier:Moteur à allumage commandé - Modélisation fraction brulée.gif|thumb|left|Influence des paramètres <math>a_{v}</math> et <math>m_{v}</math> sur la fraction brûlée en fonction de l'angle du vilebrequin<ref>{{Lien web|format=pdf|url=http://www.mec.etsmtl.ca/cours/mec737/Documents/Notes_de_cours/Hiver%202009/(13)modelisation_rev(A).pdf|site=etsmtl.ca|titre=Modélisation de moteur|page=13|consulté le=8 mai 2009}}.</ref>.]]

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 <math>W</math> et de la chaleur <math>Q</math> échangés. En considérant le temps, on peut donc aisément établir la relation suivante de dégagement d'énergie, où <math>C_{v}</math> est la capacité calorifique à volume constant, <math>P</math> la pression et <math>V</math> le volume de la chambre<ref name="acmm">{{harvsp|Guibert|2005}}, Loi phénoménologique, {{p.|3}}.</ref> :

: <math> 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} </math>

Une [[Loi normale|courbe de Wiebe]] – voir illustration ci-contre – permet de formaliser le taux de dégagement d'énergie par la fraction de carburant brûlée <math>x_{b}</math> en fonction de l'angle de rotation du [[vilebrequin (moteur)|vilebrequin]] <math>\theta</math>, de l'angle de début d'allumage <math>\theta_{all}</math>, de la durée de combustion <math>\Delta {\theta_{comb}}</math>, ainsi que de paramètres <math>a_{v}</math> et <math>m_{v}</math> sur lesquels il est possible de jouer suivant les lois de combustion<ref name="acmm" />{{,}}<ref name="pdf" />.

: <math> x_{b} = 1 - \exp\left[ -a_{v} \left( \frac {\theta - \theta_{all}} {\Delta {\theta_{comb}}} \right)^{m_{v} + 1} \right]</math>

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

==== Front de flamme ====
===== Généralités =====
[[Fichier:Laminar and turbulent flows.svg|thumb|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 [[Flamme (combustion)|vitesse de propagation]], dénommée {{Citation|vitesse de flamme [[Écoulement laminaire|laminaire]]}} <math>\mathrm U_{\mathrm L}</math> dans le cas d'un mélange homogène, perpendiculaire au front de flamme. Cette vitesse dépend des propriétés du carburant ainsi que des phénomènes de [[Conduction thermique|diffusion]] de la chaleur. Une épaisseur de flamme <math>\delta</math>, qui dépend de temps de combustion <math>\tau_{comb}</math> et du coefficient de diffusion thermique <math>\mathrm d_{th}</math>, est généralement définie<ref name="acmm2">{{harvsp|Guibert|2005}}, Développement de front de flamme, {{p.|4}}.</ref> :

: <math> \delta \approx \sqrt{\mathrm d_{th} \tau_{comb}} \approx \mathrm U_{\mathrm L} \tau_{comb} </math>

Dans le cas d'un écoulement turbulent, ''i.e.'' non laminaire, la vitesse <math>\mathrm U_{\mathrm T}</math> fluctue selon le [[champ (mathématiques)|champ turbulent]], défini par le [[nombre de Reynolds]] <math>\mathrm {Re}</math> (''a fortiori'' de la [[viscosité]] <math>\nu</math>) et la longueur de la turbulence <math>\mathrm l</math><ref name="acmm2" /> :

: <math> \mathrm U_{\mathrm T} = \frac {Re \times \nu}{l} </math>

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 <math>A</math>, de la masse volumique des gaz frais <math>\rho</math> et d'une masse imbrûlée de gaz <math>\chi</math> entraînée par la flamme<ref>{{harvsp|Guibert|2005}}, Modèle de McCuiston et Lavoie, {{p.|5}}.</ref>{{,}}<ref name="pdf2">{{Lien web|url=http://www.mec.etsmtl.ca/cours/mec737/Documents/Notes_de_cours/Hiver%202009/(13)modelisation_rev(A).pdf|titre=Modélisation de moteur|page=14|consulté le=8 mai 2009}}.</ref> :

: <math> -\frac{{\mathrm d} m_{b}}{{\mathrm d} t} = \rho A \mathrm U_{\mathrm T} + \frac {\chi}{\tau_{comb}} </math>

===== Modèle de McCuiston et Lavoie =====
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 <math>m_e</math> de gaz frais est entraînée dans la zone de combustion selon une vitesse <math>u_e</math>, et est enflammée. Le présent modèle pose l'hypothèse que la distribution des fractions brûlées des masses entraînées est [[Fonction exponentielle|exponentielle]]<ref>{{harvsp|Guibert|2005}}, Modèle de McCuiston et Lavoie, {{p.|5-6}}.</ref> :

: <math> m_e = \int_{0}^{t} \rho A_f u_e \, \mathrm dt' \rightarrow m_b = \int_{0}^{t} 1-e^{-(t-t')/\tau_{comb}} \rho A_f u_e \, \mathrm dt'</math>
avec <math>A_f</math>, la surface du front de flamme et <math>\rho</math>, masse volumique des gaz frais.

=== Contrôle des gaz d'échappement ===
{{Article détaillé|Normes européennes d'émissions}}

==== Polluants émis ====
[[Fichier:Nitrogen-dioxide-3D-vdW.png|thumb|left|upright=0.7|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]] ([[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]]). En pratique la combustion n'étant jamais complète, de nombreux [[hydrocarbure]]s sont émis : des hydrocarbures partiellement brûlés tels que les [[aldéhyde]]s, les [[cétone]]s, les [[acide carboxylique|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 ([[oxyde d'azote|NO<sub>x</sub>]]). À la suite d'une exposition au rayonnement solaire, des oxydants ([[Peroxyde organique|peroxydes organiques]], [[ozone]]{{etc.}}) se forment après la sortie du pot d'échappement<ref name="bos3">{{harvsp|Bosch|2002}}, Gaz d'échappement des moteurs à essence – Les produits de la combustion.</ref>.

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 [[oxyde d'azote|NO<sub>x</sub>]] – mais le {{CO2}} est particulièrement gênant en raison de sa contribution au phénomène d'[[effet de serre]]<ref name="bos3" />.

==== Traitement des gaz d'échappement ====
{{Article détaillé|Pot catalytique}}
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 [[Catalyse|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 [[réaction d'oxydoréduction|réduction]] des oxydes d'azote par déficit d'air<ref name="bos4">{{harvsp|Bosch|2002}}, Gaz d'échappement des moteurs à essence - Épuration des gaz d'échappement.</ref>.

L'ajout en série de ces deux types de catalyseurs se nomme {{Citation|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 [[Pot catalytique#Catalyseur à trois voies|catalyseur à trois voies]], régulé en [[Contrôle en boucle fermée|boucle fermée]] en fonction de la richesse du mélange<ref name="bos4" />.

== Allumage ==
{{Article détaillé|Allumage (moteur automobile)}}

Le système d'allumage permet d'obtenir l'étincelle, ordonnancée selon l'[[ordre d'allumage]] du moteur, qui provoque la combustion du mélange air-carburant.

=== Allumage électromécanique ===
[[Fichier:Allumage batterie.svg|thumb|upright=0.8|Schéma d'un système d'allumage électromécanique.]]
{{voir|Delco}}
L'allumage électromécanique d'un moteur à allumage commandé fonctionne sur le principe d'un [[rupteur]] réalisant des coupures intermittentes de [[conducteur (physique)|courant]] dans l'alimentation du primaire d'une [[Bobine (électricité)|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]]<ref name="carb">{{harvsp|Faure|Guibet|1997}}, Le circuit d'allumage, {{p.|135-136}}.</ref>. 

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<ref>{{harvsp|Trapy|2000}}, Allumage, {{p.|6}}.</ref>.

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 au plomb|batterie]] permettant de fournir de façon continue une [[tension électrique|tension]] de {{Unité|12|[[volt]]s}}. Le [[courant continu]] du primaire de la [[Bobine (électricité)|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 {{unité/2|6000|à=25000|V}}<ref>{{Ouvrage|langue=fr|auteur1=Éric Du Pasquier|titre=Investigation des incendies de véhicules automobiles|éditeur=PPUR Presses Polytechniques|année=2003|pages totales=219|passage=46|isbn=978-2-88074-531-8|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=YMlT-Rqk11AC&printsec=frontcover|consulté le=30 avril 2009}}.</ref>. Placé en parallèle sur le rupteur, un [[condensateur (électricité)|condensateur]] permet de réduire les [[arc électrique|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<ref name="carb" />.

=== Allumage électronique ===
{{Article détaillé|Allumage électronique|Bougie d'allumage}}
[[Fichier:Aston Martin DB4 Series 1 engine.JPG|thumb|upright=0.9|left|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 (technique)|électronique]]. Un capteur placé en regard de [[dent]]s sur le pourtour du [[volant moteur#Dispositions constructives|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 [[piézoélectricité|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<ref>{{harvsp|Faure|Guibet|1997}}, Le circuit d'allumage, {{p.|136-137}}.</ref>.

=== Distribution des étincelles ===
{{Article détaillé|Allumeur}}

==== Distribution par distributeur ====
[[Image:Kontaktzündung.JPG|thumb|upright|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 (électricité)|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<ref>[http://www.encyclautomobile.fr/fr/encyclauto/fiche-pedagogique/historique/chronologie-de-lautomobile.html Chronologie de l'automobile], sur encyclautomobile.fr, consulté le 11 novembre 2016.</ref>, mais il n'est industrialisé qu'en [[1908]] par les Américains {{nobr|Edward Deeds}} et {{nobr|Charles F. Kettering}}, qui fondent la Delco Company et commercialisent le distributeur  sous le nom de ''Delco''<ref>{{en}} [http://www.findagrave.com/cgi-bin/fg.cgi?page=gr&GRid=4451 Edward A. Deeds], sur findagrave.com, consulté le 11 novembre 2016.</ref>.

==== Distribution à étincelle perdue ====
[[Fichier:Ignition coils.jpg|thumb|upright=0.6|left|[[Bobine (électricité)|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 d'allumage à étincelle perdue|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.

=== Avance à l'allumage ===
==== Principe ====
[[Fichier:Avance à l'allumage.jpg|thumb|left|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<ref name="epm8991">{{harvsp|Brun|1981}}, Le Te-Theta-Tau de la combustion, {{p.|89-91}}.</ref>{{,}}<ref name="pdf" />.

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<ref name="epm8991" />. 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 (mécanique)|piston]], angle facile à reporter sur la tranche du volant moteur afin de faciliter le contrôle et le réglage du point d'allumage<ref>{{harvsp|Bromberger|Chevallier|1999}}, Du réglage aux réseaux, {{p.|71}}.</ref>. L'avance à l'allumage de base sur les automobiles est d'environ 10°.

==== Réglage ====
[[Fichier:Cartographie d'allumage.jpg|thumb|Cartographie de l'avance à l'allumage du moteur.]]
Les avances à l'allumage les plus favorables, dénommées généralement {{Citation|avances optimales}}<ref>{{harvsp|Brun|1981}}, Avance à l'allumage, {{p.|161}}.</ref>, sont celles pour lesquelles le [[couple (physique)|couple]] et/ou le [[rendement (physique)|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 {{Citation|creuse}} et faible ; on parle alors de {{Citation|retard à l'allumage}}<ref group=N>Cette expression est passée dans le langage courant, désignant par exemple une personne peu réactive.</ref>. 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 <math>\theta</math> désignant l'avance à l'allumage et <math>n</math> le nombre de tours par minute.

<center><math>\theta = \frac {n \times 360} {60 \times 1000}</math></center>

Historiquement, la commande d'avance était manuelle (levier au guidon des motocyclettes [[Norton Motorcycle Company|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 [[Points morts (mécanique)|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 [[stroboscope|lampe stroboscopique]] est connectée, à l'aide d'une [[pince]] à [[Induction électromagnétique|induction]], sur le câble haute tension de la bougie du cylindre numéro un ; la lampe émet alors un [[Flash photographique|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°|1}} gravé sur le volant moteur en regard des [[Graduation (repère)|graduations d'avance]] inscrites en bordure du carter<ref>{{harvsp|Bromberger|Chevallier|1999}}, Du réglage aux réseaux, {{p.|72}}.</ref>.

==== Pollution ====
L'avance à l'allumage, en raison d'une combustion provoquée plus tôt dans le [[:Catégorie:Cycle thermodynamique|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<ref>{{Ouvrage|langue=fr|auteur1=Paul Degobert|titre=Automobile et pollution|éditeur=Éditions Technip|année=1992|pages totales=516|passage=256|isbn=978-2-7108-0628-8|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=y-1scFy3JL0C&printsec=frontcover|consulté le=28 avril 2009|id=POL}}.</ref>.

== Injection ==
{{Article détaillé|Injection (moteur)}}
[[Fichier:Cartographie injection.png|thumb|upright=1.2|Cartographie de l'injection de carburant. Source : [[#Bosch2002|Robert Bosch]], ''Mémento de technologie automobile''.]]
L'injection de carburant dans les [[Moteur à combustion interne|moteurs à combustion interne]] peut être réalisée de deux manières : par [[injection indirecte]], dans laquelle le mélange air-essence est réalisé en amont de la soupape d'admission, ou par [[injection directe]], où l'essence est pulvérisée sous haute pression directement dans la chambre de combustion. Associée à un [[papillon (mécanique)|papillon]], l'injection directe permet de réaliser des [[charge stratifiée|charges stratifiées]], qui ont pour but de créer un mélange riche autour du point d'allumage de la bougie, ce qui limite les pertes d'énergie en chaleur<ref name="enen" />.

À partir des [[années 1960]], l'injection directe remplace progressivement l'indirecte, car elle permet de mieux contrôler la quantité de carburant et de réaliser des combustions plus performantes, en raison d'une diffusion plus fine de l'essence. En effet, étant donné que la combustion est réalisée par une bougie d'allumage, l'injection directe permet d'obtenir un mélange plus homogène<ref>{{Lien web|url=http://www.motorlegend.com/entretien-reparation/moteur-voiture/l-injection/9,11647.html|titre=Technique : L'injection|site=Motorlegend|auteur=|page=2|consulté le=9 mai 2009}}.</ref>.

Seuls les gaz et les mélanges gazeux ont une {{Citation|[[Mélange homogène|structure parfaitement homogène]]}}<ref name="bos1" /> si bien que l'essence doit être injectée sous forme de gouttelettes afin d'obtenir un [[Phase (matière)|mélange vaporisé]]. Lorsque les températures sont trop basses, notamment lors d'un démarrage à froid, le mélange est généralement enrichi en essence de telle sorte que le pourcentage de carburant {{Citation|vaporisable}} soit suffisant à l'allumage. On parle alors d'{{Citation|enrichissement de démarrage à froid}}<ref name="bos1">{{harvsp|Bosch|2002}}, Le moteur à essence.</ref>.

L'injection directe, accouplée à d'autres systèmes mécaniques, permet par ailleurs de réaliser différentes combustions. L'injection de carburant sur une forme particulière de tête de [[piston (mécanique)|pistons]] augmente, par exemple, le niveau de [[turbulence]] (injection ''[[Swirl (dynamique des fluides)|swirl]]'') dans la chambre de combustion et permet ''a fortiori'' d'améliorer l'homogénéité du mélange. L'injection directe, tout comme l'injection indirecte, peut permettre d'effectuer une charge stratifiée (injection ''[[Tumble (dynamique des fluides)|tumble]]'')<ref name="enen">{{Ouvrage|langue=en|auteur1=John Leask Lumley|titre=Engines|sous-titre=an introduction|éditeur=[[Cambridge University Press]]|année=1999|pages totales=248|isbn=978-0-521-64489-1|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=it1BggypJ2oC&printsec=frontcover}}, {{lang|en|Indicing Swirl and Tumble}}, {{p.|148-149}}.</ref>.

== Lubrification et refroidissement ==
Hormis lorsqu'ils sont destinés à une utilisation en hautes performances (par exemple en compétition automobile ou sur des modèles de prestige), les moteurs à allumage commandé ne sont pas exigeants en termes de [[lubrification]]. En règle générale, cette dernière est assurée par une [[pompe à engrenages]] interne, entrainée mécaniquement par le moteur, un filtre permettant de retirer les impuretés de l'[[huile moteur|huile]], et une série de canalisations permettant d'amener l'huile aux endroits à lubrifier. La pompe aspire l'huile située dans le [[Carter (moteur)|carter]] avant de la distribuer. Les cylindres sont quant à eux lubrifiés par projection, c'est-à-dire que l'huile est projetée dans l'espace moteur grâce aux rotations rapides du [[vilebrequin (moteur)|vilebrequin]]. Certains moteurs s'équipent d'échangeurs eau-huile permettant de limiter l'échauffement de l'huile<ref name="ac">{{harvsp|Trapy|2000}}, Lubrification et refroidissement, {{p.|6-7}}.</ref>.

Sur les moteurs à [[Refroidissement_à_eau#Moteurs_thermiques|refroidissement liquide]], le [[Radiateur de refroidissement de moteur|circuit de refroidissement]], particulièrement nécessaire pour la [[culasse de moteur|culasse]] et le [[bloc-cylindres]], est quant à lui assuré par la circulation d'un fluide absorbant de façon optimale la [[Transfert thermique|chaleur]], généralement un mélange d'eau et d'[[éthylène glycol]]<ref name="ac" />.<br/>Sur les moteurs à refroidissement à air, les culasses et leur disposition doivent être optimisées pour assurer l'échange thermique entre la culasse et l'air.

== Suralimentation ==
{{Article détaillé|Suralimentation}}
[[Fichier:Turbocompresseur.jpg|thumb|left|upright=0.9|Entrée d'air du [[turbocompresseur]].]]
Le but de la suralimentation dans un [[moteur à combustion interne]] est d'augmenter le remplissage du moteur afin d'en accroître la puissance sans augmenter sa cylindrée. En améliorant le remplissage, on augmente la puissance spécifique. Le taux de suralimentation désigne l'augmentation de densité de l'air admis dans la chambre de combustion par comparaison avec celle d'un moteur atmosphérique, ''c'est-à-dire'' non suralimenté. Puisque le taux de compression de tout moteur à allumage commandé est limité par le phénomène de [[cliquetis]], ce taux est généralement inférieur à celui d'un moteur atmosphérique<ref name="bos2">{{harvsp|Bosch|2002}}, Les procédés de suralimentation.</ref> afin que l'augmentation de la compression due à la suralimentation n'engendre pas de cliquetis.

Prenons l'exemple d'un moteur théoriquement parfait, monocylindre, d'un litre de cylindrée. Ce moteur va aspirer et comprimer un litre de mélange air-essence dans sa culasse qui aura été calculée en volume de manière à tirer le meilleur parti du carburant sans atteindre le point critique de cliquetis. Imaginons ce même moteur gavé par un turbo ; il ne va plus aspirer et comprimer un litre, mais davantage. Grossissons le trait et imaginons que le turbo compresseur parvienne à faire entrer {{unité|2|litres}} de mélange air-essence dans le cylindre (taux de suralimentation de 2), les volumes de la culasse et celui du cylindre étant inchangés, le rapport volumétrique entre la cylindrée et le volume de la culasse du moteur reste le même mais la quantité de mélange air-essence comprimé ayant doublé le taux de compression a donc suivi : on aurait alors atteint et même largement dépassé les conditions d'apparition de cliquetis.

Un moteur turbo-compressé verra donc son taux de compression revu à la baisse de telle manière que lorsque le turbo gavera le moteur, la compression résultante n'atteigne jamais la valeur à laquelle les phénomènes de cliquetis apparaîtraient inexorablement. Notre moteur théorique de {{unité|1000|cm|3}} va donc avec la suralimentation avoir des performances proches de celles d'un moteur qui ferait 2 litres de cylindrée, sans en avoir les inconvénients en matière de masses mobiles, de frottements internes, de poids et de dimension générales. Les accessoires (démarreur, batterie, etc.) seront également de puissances et de dimensions plus réduites, permettant un gain de poids substantiel sur l'ensemble du véhicule. Lancer un petit moteur à taux de compression modéré demande en effet beaucoup moins d'énergie que lancer un gros moteur ayant des taux de compression optimums.

Parmi les différentes techniques de suralimentions, deux grandes catégories sont généralement distinguées : les compresseurs, parfois dits volumétriques ou mécaniques, et les [[turbocompresseur]]s. Un turbocompresseur est, comme son nom l'indique, un compresseur entraîné par une turbine, qui utilise l'[[énergie cinétique]] des gaz d'échappement, ce qui permet de ne pas « consommer » de couple efficace, tandis qu'un [[compresseur volumétrique]] est entraîné mécaniquement par le vilebrequin. Les technologies utilisées pour l'étage de compression sont différentes, car les régimes de rotation obtenus diffèrent d'un ordre de grandeur. Les compresseurs volumétriques ont néanmoins l'avantage d'être efficaces dès les bas régimes, sans temps de réponse, mais leur régime reste proportionnel à celui du moteur, ce qui limite les possibilités d'optimisation<ref name="bos2" />. La compression d'un gaz s'accompagnant d'une élévation de sa température nuisible au rendement de la combustion, ces systèmes sont souvent associés à un [[échangeur de chaleur|échangeur air-air]].

D'autres solutions, moins mécaniques, existent également comme la suralimentation naturelle — liée à la géométrique des tubulures d'admission —, la suralimentation par [[résonance]] obtenue grâce au phénomène de [[résonance de Helmholtz]] ou encore la suralimentation par systèmes d'admission à géométrie variable<ref name="bos2" />.

== Avantages et inconvénients ==
[[Fichier:Volkswagen W16.jpg|thumb|Le [[moteur W16]] de la [[Bugatti Veyron 16.4|Bugatti Veyron]] est un moteur à allumage commandé.]]
En raison de leur utilisation généralement commune, il est d'usage de comparer les moteurs à allumage commandé aux [[moteur Diesel|moteurs Diesel]]. Les avantages de l'un correspondent naturellement aux inconvénients de l'autre et vice-versa.

Le moteur à allumage commandé est relativement plus léger ; la conception même des moteurs Diesel nécessitant de surdimensionner leurs pièces. Il est donc relativement plus silencieux, puisque la déflagration 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 régimes et lorsqu'il est froid, car l'allumage se fait par l'intermédiaire d'une [[bougie d'allumage|bougie]]. Les régimes moteurs étant de surcroît plus élevés, les véhicules de prestige ou à vocation sportive sont généralement munis de moteurs à allumage commandé<ref name="inc">{{Lien web|url=http://www.kh.refer.org/cours_en_lignes/Cours_Moteur/Cours_PDF/Cours11.pdf|titre=Particularité du moteur Diesel|page=2-3|consulté le=4 juin 2009}}.</ref>.

Néanmoins, le [[Rendement d'un moteur à explosion|rendement]] thermodynamique théorique du moteur essence est plus faible que celui du Diesel, de l'ordre de 30 % à 35 % pour l'essence contre 40 % à 45 % pour le Diesel en moyenne, en raison des taux de compression plus faibles. Le logiciel de simulation Thermoptim fournit, à conditions identiques, un rendement de 33,9 %<ref>{{Lien web|url=http://www.ensmp.fr/Fr/Services/PressesENSMP/telechargement/Essence.pdf|titre=Thermoptim - Moteur à essence|page=7|auteur=Renaud Gicquel|consulté le=4 juin 2009}}.</ref> pour le moteur à allumage commandé et 40,1%<ref>{{Lien web|url=http://www.ensmp.fr/Fr/Services/PressesENSMP/telechargement/Diesel.pdf|titre=Thermoptim - Moteur Diesel|page=8|auteur=Renaud Gicquel|consulté le=4 juin 2009}}.</ref> pour le moteur Diesel.

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, car outre la question du rendement déjà évoquée, le contenu énergétique de l'essence est plus faible que celui du gazole. Sans recours aux technologies du ''[[downsizing (mécanique)|downsizing]]'', le [[couple (physique)|couple]] obtenu est plus faible à bas régime et les émissions de [[Dioxyde de carbone|{{CO2}}]] plus élevées que pour un moteur Diesel équivalent. Il est cependant plus facile d'obtenir une [[puissance (physique)|puissance]] plus importante en raison d'un régime moteur maximal environ une fois et demie supérieur à celui des moteurs Diesel pour les moteurs d'automobiles courants<ref name="inc" />{{,}}<ref group=N>La plupart des moteurs Diesel ne peuvent dépasser {{unité|4500|à=5000|tr/min}}, alors que les moteurs à allumage commandé sont capables d'atteindre près de {{unité|7000|tr/min}}, pour les modèles de série voire près de {{unité|20000|tr/min}} en [[Formule 1]].</ref>.

{{pourquoi|Si on compare les émissions polluantes entre un moteur Diesel et un moteur essence, l'avantage va à l'essence sur la question de l'[[empreinte écologique]] à long terme}}. Les moteurs Diesel émettent moins de [[dioxyde de carbone]] ({{CO2}}), à puissance égal qu'un moteur à essence, en moyenne 15 % de moins<ref name="latribune2014">{{Lien web |url=http://www.latribune.fr/entreprises-finance/industrie/automobile/20140509trib000829114/c-est-reparti-haro-sur-le-diesel-specialite-de-renault-et-psa.html |titre=C'est reparti : haro sur le Diesel, spécialité de Renault et PSA |site=La Tribune |auteur=Alain-Gabriel Verdevoye |date=9 mai 2014 |consulté le=19 février 2015}}.</ref>, car la consommation est inférieure à celle d'un moteur essence. Toutefois le {{CO2}} n'est pas considéré comme un polluant mais participe au [[réchauffement climatique]]<ref name="latribune2014"/>. 

Les moteurs Diesel génèrent de {{nobr|trois à huit fois plus}} de [[Oxyde d'azote|NOx]]<ref group=N>Du fait des températures de combustion atteintes avec les moteurs turbocompressés.</ref> (oxydes d'azote) et de huit à dix fois plus de particules fines<ref name="lesechos2014">{{Lien web |url=https://www.lesechos.fr/economie-france/dossiers/0203377439395/0203380495826-dans-les-villes-le-principal-pollueur-est-la-voiture-1043723.php |titre=Dans les villes, le principal pollueur est la voiture |site=Les échos |auteur=Yann Verdo |date=18 mars 2014 |consulté le=19 février 2015}}.</ref>. Ce surcroit de pollution reste vrai malgré les gros progrès apportés par l'injection directe haute pression. Obligatoires en Europe sur les véhicules mis en service depuis 2011 ([[Normes européennes d'émission|norme Euro 5]]), les filtres à particules permettent de limiter les rejets des particules fines durant l'utilisation, mais ne filtrent pas les NOx sans catalyseur De NOx<ref name="lesechos2014"/> et n'offrent pas la solution optimale faute de procédés de retraitement en fin de vie. La norme Euro 6 restreint encore les motoristes sur les niveaux d'émission de particules fines et d'oxydes d'azote. Ainsi depuis 2000, la limite maximale de rejet est passée de {{unité|500|à=80|mg/km}} en 2014 pour les nouveaux véhicules (poids lourds et automobiles), donc le parc ancien reste la source principale de pollution<ref name="latribune2014"/>.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|group=N|taille=40}}

=== Références ===
{{Références nombreuses|taille=40}}

== Annexes ==
{{Autres projets|commons=Category:Automobile engines|wiktionary=moteur}}

=== Bibliographie ===
* {{plume}}{{Ouvrage
 | langue=fr
 | prénom1=Emmanuelle
 | nom1=Faure
 | prénom2=Jean-Claude
 | nom2=Guibet
 | titre=Carburants et moteurs
 | éditeur=Éditions Technip
 | année=1997
 | isbn=978-2-7108-0705-6
 | lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=IpUnMfB27i4C&printsec=frontcover
 | consulté le=30 avril 2009
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}}
* {{plume}}{{Ouvrage
 | langue=fr
 | prénom1=Raymond
 | nom1=Brun
 | titre=Science et technique du moteur diesel industriel et de transport
 | volume=1
 | éditeur=Éditions Technip
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 | consulté le=28 avril 2009
 | numéro chapitre=III
 | titre chapitre=Combustion
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}}
* {{plume}}{{Ouvrage
 | langue=fr
 | prénom1=Robert
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 | titre=Mémento de technologie automobile
 | éditeur=Éditions Technip
 | année=2002
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}}
* {{plume}}{{Ouvrage
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* {{Ouvrage
 | langue=fr
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 | éditeur=[[Éditions techniques de l'ingénieur|Les Techniques de l'Ingénieur]]
 | année=2000
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}}
* {{Ouvrage
 | langue=fr
 | prénom1=Christian
 | nom1=Bromberger
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 | nom2=Chevallier
 | titre=Carrières d'objets
 | sous-titre=innovations et relances
 | éditeur=Éditions MSH
 | année=1999
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 | consulté le=28 avril 2009
 | id=BrombergerChevallier1999
}}

=== Articles connexes ===
{{colonnes|taille=20|
* [[Moteur à combustion et explosion]]
* [[Architecture des moteurs à pistons]]
* [[Moteur Wankel]]
* [[Cycle à deux temps]]
* [[Cycle de Beau de Rochas|Cycle à quatre temps]]
* [[Allumage (moteur automobile)|Allumage]]
* [[Bougie d'allumage]]
* [[Delco]]
* [[Rupteur]]
* [[Moteur Diesel]]
* [[Moteur à combustion interne]]
}}

=== Liens externes ===
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