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Le moteur à combustion interne, communément appelé moteur à explosion, est principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avions à hélice, automobiles, motos, camions et bateaux).
Le terme moteur à explosion, consacré par l'usage, est impropre car ne rend pas compte des phénomènes se produisant dans ces moteurs pour lesquels la dénomination à combustion interne est plus adéquate.
La détonation, spécifique aux explosions (vitesse de l'ordre du km/s), y a parfois lieu mais c'est un défaut (sauf lors du démarrage de la combustion des moteurs Diesel). Nous utiliserons toutefois ce terme afin de faciliter la compréhension.
Nous emploierons Diesel en préservant la majuscule initiale du nom propre donc plutôt que diesel.
Le moteur "essence" fonctionne à 1 000?C tandis que le Diesel à 800?C.
[] Moteur quatre temps essence ou gaz
- voir également l'article : cycle de Beau de Rochas
Ce moteur transforme l'énergie chimique stockée dans son carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des explosions. Il est constitué d'un ou plusieurs cylindres confinant les explosions. Dans chacun d'eux un piston coulisse en un mouvement rectiligne alternatif (par exemple de haut en bas) transformé en rotation, par l'intermédiaire de la bielle liée au vilebrequin, sorte d'assemblage de manivelles. Chaque cylindre est fermé par une culasse munie d'au moins deux soupapes. L'une de ces dernières relie le cylindre au collecteur d'admission et l'autre à l'échappement. Son cycle (de fonctionnement) se décompose analytiquement en quatre temps (phases) par lesquels passe successivement chaque cylindre. Le mouvement du piston est activé par l'explosion (déflagration) d'un mélange détonnant de carburant et d'air (servant de comburant) qui a lieu durant le temps moteur, seul à produire de l'énergie et que trois autres temps rendent possible. Le piston, immobile lorsque le moteur est à l'arrêt, se déplace durant le démarrage grâce à une source d'énergie externe (souvent un démarreur, moteur électrique installé de sorte qu'il puisse entraîner temporairement le moteur) jusqu'à ce qu'au moins un temps moteur produise une rotation (moment cinétique) de l'ensemble mécanique grâce à laquelle le piston assurera sans aide les cycles menant au temps moteur suivant. Le moteur fonctionne dès lors seul et produit du travail.
Voici une description des cycles successifs d'un moteur à quatre temps :
- Admission d'un mélange air/essence présent dans le collecteur d'admission préparé par divers composants (souvent un carburateur) : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston qui pompe ainsi ce mélange dans le cylindre
- Compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission puis remontée du piston qui comprime le mélange afin d'augmenter la puissance de l'explosion donc la quantité de travail produite
- Allumage, combustion : peu avant que le piston atteigne son point culminant avant retour (nommé par convention le point mort haut) on alimente la bougie d'allumage avec une source d'électricité à haute tension. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur qui, en repoussant le piston, libère l'énergie nécessaire au mouvement
- Échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés devenus inutiles, dans l'échappement afin de laisser place à une nouvelle charge de mélange. À ce stade le cycle reprend donc le temps suivant est l'admission.
[] Moteur Diesel quatre temps
Voir Moteur diesel
[] Moteur Wankel (moteur à piston rotatif)
Ce moteur, aussi appelé moteur rotatif, fut inventé et développé par Félix Wankel, qui vendit ensuite le brevet correspondant.
Lire l'article dédié : Moteur Wankel.
[] Moteur Quasiturbine
Voir Quasiturbine.
[] Moteur deux temps
- Lire également l'article cycle à deux temps
[] Historique
Il fut conçu par l?ingénieur anglais sir Dugald Clerk 20 ans après le moteur quatre temps : la place était déjà prise et une compétition les oppose depuis !
Comme son concurrent il fonctionne selon le cycle de Beau de Rochas mais intègre deux de ses étapes dans un seul mouvement de piston.
Dans sa version économique dotée d'un simple carburateur son rendement est plus faible et il est plus polluant, mais d?une puissance et d'un couple nettement plus élevés (60 à 70 % à isocylindrée et isorégimes, bien sûr !), il est demeuré longtemps le moteur exclusif et performant des cyclomoteurs et de quelques motos sportives répliques de motos de compétition en GP et tout-terrain.
- Depuis 1990, on s?intéresse de nouveau au moteur à deux temps pour l'automobile mais en injection directe, ce qui constitue une (r)évolution.
[] Technique
Les moteurs « deux temps » respectent le cycle Beau de Rochas mais utilisent les deux côtés du piston : la partie supérieure pour les phases de compression et de combustion, ainsi que la partie inférieure pour assurer le transfert des gaz d'admission (et par voie de conséquence, d'échappement). Ils épargnent ainsi les mouvements(donc latences, frottements ...) de deux cycles non producteurs d'énergie (donc produisent davantage de couple et de puissance (toutes deux fonction du temps).
[] Avantages
Les moteurs « deux temps » permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour deux tours de vilebrequin pour le moteur quatre temps). Cependant l'étanchéité demeure difficile à assurer et certains effets de l'emplacement de canaux de transfert de gaz (admission et échappement) limitent le gain pratique à 70 % du travail.
Les principaux avantages de ces moteurs sont :
- leur combustion à chaque tour moteur (leur puissance massique très élevée malgré des régimes souvent relativement faibles) ;
- leur simplicité de construction (peu de pièces en mouvement) ;
- la fiabilité qui en découle.
[] Inconvénients
Les principaux inconvénients de ces moteurs sont :
- l'usure rapide, surtout à haut régime, due aux canaux de transferts (les segments assurant l'étanchéité passent devant des lumières, ils y subissent des contraintes importantes et usent la chemise) ;
- le niveau de pollution par hydrocarbures imbrûlés HC : une partie des gaz chargés en essence qui n'ont pas encore brûlé peuvent sortir directement à l'échappement (solution technique : injection directe) ;
- le graissage pose parfois problème (segments et bas moteur) car l'huile diluée dans l'essence pour assurer la lubrification brûle mal donc produit des composés imbrûlés évacués par l'échappement.
- quasi-absence de frein moteur.
Pour toutes ces raisons, les moteurs deux temps économiques à carburateurs sont en voie de disparition, car ils polluent beaucoup plus que des moteurs quatre temps équivalents (penser aux tondeuses à gazon, tronçonneuses, vélomoteurs, moteurs hors-bord, petits groupes électrogènes, motoculteurs, véhicules de modélisme, ...).
Le développement de moteurs quatre temps à forte densité de puissance paraît donc nécessaire... aux services marketing, mais pas aux bureaux d'étude !
[] Avenir
Toutefois, les moteurs deux temps présentent encore un fort potentiel dans des secteurs spécifiques, par exemple celui des très grandes puissances (propulsion marine ou production électrique) où des Diesels deux temps dits « moteurs lents » délivrent plus de 95 000 chevaux avec un excellent rendement (50 %).
Ce sont des moteurs comptant cinq à quatorze cylindres en ligne dont le diamètre atteint un mètre de diamètre et la course jusqu'à trois mètres. La vitesse de rotation de leur arbre est d'environ 120 tours/minute. Leurs principales qualités sont la fiabilité et la faible consommation mais leur encombrement (ils occupent trois étages de la plupart des navires équipés) est toutefois parfois gênant, tout comme celui de leurs homologues quatre temps.
Une évolution très prometteuse mais encore rare sur le marché se poursuit depuis l'an 2000 dans ce domaine avec le système d'injection DIRECTE Orbital appelé en:Common rail en anglais (TSDI Peugeot, DITECH Aprilia, PUREJET Piaggio, KDI Kymco, DI Suzuki Katana, etc.), qui optimisent leur fonctionnement tout en diminuant la pollution de 80 % et la consommation de 40 à 50 %.
[] Liens externes
À suivre sur :
[] Caractérisation
La cylindrée d'un moteur donné est le volume total (tous cylindres) de mélange contenu en fin de cycle d'admission.
La puissance développée, souvent exprimée par une courbe de puissance moteur), doit être mesurée selon certaines normes sous peine de ne rien exprimer d'utile. Une courbe correspondant à des mesures effectuées sur le vilebrequin d'un moteur bien rôdé et réglé, peu utilisé et employant un carburant spécial sera plus flatteuse que celle du même modèle mis en ?uvre dans des conditions moins avantageuses (mesure aux roues, moteur usé et mal réglé ...).
La puissance spécifique exprime la puissance produite en fonction de la cylindrée (volume de gaz contenus après le cycle d'admission). Elle est souvent exprimée en la rapportant au litre de cylindrée (équivalent à 1 000 centimètres-cubes). Un moteur de 500 cc développant 33 chevaux présente ainsi un rendement de puissance de 66 chevaux au litre tandis qu'un 3 000 cc en développant 120 n'en offre que 40. L'augmentation de la puissance spécifique est d'autant plus aisée que la cylindrée unitaire diminue (donc que le nombre de cylindres augmente) puisque la puissance augmente avec le régime. Or, un moteur de forte cylindrée fonctionnant rapidement développe des moments mettant l'ensemble, en particulier le piston, à rude épreuve donc menace sa fiabilité, simplicité d'utilisation, coût...
La puissance massique est un rapport entre la puissance développée et la masse du moteur. Dans le cas d'un moteur à poste fixe, elle n'exprime le plus souvent rien d'utile mais les constructeurs d'avions lui accordent une grande importance.
Le taux de compression d'un moteur exprime le rapport entre le volume laissé dans l'un de ses cylindres au point mort bas et au point mort haut. Plus il est élevé plus le mélange est comprimé donc plus l'explosion sera forte, donc difficile à gérer (choc mécanique, température ...).
[] Refroidissement
La chaleur due aux combustions répétées surchauffe les pièces en contact (piston, cylindre, soupape) et se diffuse sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à explosion ont besoin d?une température régulière et adaptée.
[] Refroidissement à air
En 1875 le français Alexis de Bischop utilise l'air pour le refroidissement. Son moteur sans compression préalable, de type mixte, comportait un cylindre entouré d'ailettes métalliques augmentant sa surface en contact avec l'air.
Ce type de refroidissement est surtout utilisé pour les moteurs équipant les vélomoteurs et motocyclettes de faible cylindrée, mais aussi sur des automobiles, comme certaines Porsche, GS, la 2CV ou la Coccinelle.
Il peut être optimisé par l'utilisation d'un ventilateur dont la présence ne révèle toutefois pas toujours un refroidissement à air car il dissipe parfois la chaleur du radiateur d'un système de refroidissement liquide.
[] Refroidissement liquide
C'est l'anglais Samuel Brown qui inventa le refroidissement du moteur par de l'eau afin d'améliorer les performances du refroidissement. Dans son moteur l'eau, entraînée par une pompe, circulait autour des cylindres entourés par une chemise et était refroidie par contact direct avec l'air ambiant.
- Le radiateur fut inventé en 1897 par l'ingénieur allemand Wilhelm Maybach. Après de nombreux tâtonnements il mit au point le radiateur dit « nid d'abeille » qui permet de refroidir le liquide d'une façon très efficace. Il est composé d'un faisceau de conduits courts et étroits entre lesquels circule l'air, air qui peut être accéléré par un ventilateur placé devant ou derrière lui. Ce radiateur est situé dans un circuit fermé ou semi-fermé empli d'un liquide assurant le refroidissement du moteur.
- Un contrôle permanent de la température vise à maintenir l'eau et les huiles dans des conditions permettant une lubrification optimale.
- Idéalement, la température du liquide de refroidissement est d'environ 75°-95° Celsius, déterminée par plusieurs facteurs tels que tolérances d'usinage et résistance au frottement des pièces mécaniques, lubrifiants utilisés.
- La régulation de cette température est généralement obtenue par une vanne thermostatique calorstat située dans le circuit de refroidissement par liquide et par un ventilateur asservi à la température du liquide dans le radiateur.
- Dans les moteurs marins, le radiateur est remplacé par un échangeur de température. L'eau de mer assurant le refroidissement du circuit d'eau douce du moteur.
[] Refroidissement par huile
Partant du principe que le moteur utilise déjà un liquide, l'huile, animé par une pompe, il suffit de faire circuler une partie de ce liquide dans les zones les plus chaudes, puis d'en assurer le refroidissement (radiateur).
Beaucoup de moteurs utilisent plus ou moins complètement le refroidissement par huile. Soit sous la forme d'ailettes sous le carter moteur, soit sous la forme d'un petit radiateur d'huile, soit d'une manière plus déterminante. Par exemple, les motos à 4 cylindres de marque Suzuki utilisent un refroidissement mixte air-huile, avec un gros radiateur d'huile.
Avantage : les canalisations et pompes indépendantes, spécifiques au refroidissement, deviennent inutiles
Inconvénients : l'huile transporte moins bien la chaleur que l'eau
[] 24 heures
[] 200 heures
Remède -> Traitement à l'aide de produits chimiques
Remède -> Extraction puis appoint
[] 2 000 heures
- Pompe à huile en service, vérifier les débits d'huile dans le carter
- Nettoyage des lumières et des chapelles de balayage (risque d'incendie, Blowby passage par les segments)
- Inspection des segments et chemises par les lumières (2 tps) à l'occasion du nettoyage des chapelles par exemple :
- Inspection des segments :
- doivent être gras et brillants
- appuyer sur les segments avec une tige : gommés s'ils ne bougent pas dans leurs gorges, cassées s'ils bougent sans élasticité
- Traces de soufflage : zone sèches et noires en haut des chemises (passage de gaz entre piston et chemise)
- Traces de microgrippage : zone sèches et non brillantes (usure ultérieurs rapide)
- Dépôts sur tête de piston : s'ils sont importants, ils peuvent frotter sur sur la chemise -> signe de mauvais graissage -> micro grippage, des dépôts ressemblant à de la cendre proviennent à d'une huile cylindre trop alcaline (basique) TBN trop élevé.
- Réglage du jeu d'attaque des soupapes (4 temps)
- Virer le moteur au PMS d'injection du cylindre considéré (les galets reposent alors sur la partie concentrique de leur came -> soupapes fermées)
- À l'aide de l'outillage fourni, appliquer à force le culbuteursur son poussoir.
- Dévisser le contre écrou, agir sur la vis pour régler le jeu à la valeur prescrite à l'aide de cale
- Resserrer le contre écrou
[] 4 000 heures
- Ronde de carter
- Sonder la boulonnerie
- Vérifier la tenue des freins d'écrous
[] 8 000 heures
- Contrôle calage de la distribution
- Examen visuel came/galet
- Réglage des soupapes
- Pompe à combustible à clapets : contrôle de la course utile et du début d'injection
- Injecteur : essai de pulvérisation
- Culasse : visite des soupapes sur culasse
- Piston et presse étoupe de tige : visite
- Chemise : chemise
- Crosse et glissière : mesure des jeux
- Bielle : contôle des jeux de tête et de pieds
- Arbre manivelle, butée : contrôle des jeux
[] 12 000 heures
- Pompe à combustible à rampe : contrôle du début d'injection et de la course utile
- Arbre manivelle : mesure des contraintes
- Vérification du serrage : boulons de fixation sur la plaque de serrage et tirants
- Visite du circuit de lancement
[] 16 000 heures
- Pompe à combustible : visite
- TS : Changer les roulements, visite pompe à huile
- Tête et pied de bielle : inspection des coussinets et soies
- Circuit de graissage : visite
[] 32 000 heures
- Arbre manivelle : inspection des coussinets et soies de paliers
[] Historique
[] Monocylindre
Le premier brevet concernant un moteur à explosion a été déposé par François Isaac de Rivaz en 1807.
[] Quatre cylindres
Panhard et Levassor, dès 1896, engagent un « quatre cylindres en ligne » sur l'épreuve Paris-Marseille-Paris. Deux ans plus tard, les multicylindres (à quatre cylindres) gagnent les grosses voitures et, progressivement, se généralisent à l'ensemble de la gamme, devenant, en quelque sorte, l'archétype mondial pour les voitures courantes de moyennes et basses gammes.
Une première variante, le quatre cylindres en V, fait son apparition en course à la charnière des deux siècles, sur des modèles Mors et Ader. Quelques années plus tard, cette solution séduit Peugeot et Ariès pour leurs modèles courants d'avant 1914. Beaucoup plus tard, à partir de 1962, Ford en fera une large utilisation, mais aussi Matra et SAAB.
Deuxième variante, le quatre cylindres (en ligne) couché, que l'on trouve en compétition chez Amédée Bollée (1898/99) et chez Wolseley et Winton (1903). Elle ne connaîtra presque pas d'application, ni immédiate ni lointaine, sur les voitures courantes, mais seulement sur les véhicules utilitaires actuels optant pour la solution « moteur sous le plancher ».
Troisième variante, le quatre cylindres à plat boxer. C'est un quatre cylindres en V ouvert à 180°. Emblématique, dans sa version refroidissement à air, des « coccinelles » de Volkswagen. Cette architecture a le grand avantage de faire bénéficier le véhicule qu'il motorise d'un centre de gravité assez bas. Une version musclée et turbocompressée équipe actuellement les Subaru Impreza qui sont de redoutables concurrentes du championnat du monde des rallye WRC.
[] Six cylindres
Mais la course - où l'on recherche la vitesse - est exigeante en matière de puissance, surtout quand il s'agit de courses de côte. D'où la tentation d'augmenter le nombre de cylindres. Un modèle Chadwick aux États-Unis franchit le pas en 1907 pour la course de côte de Fairmont. L'année suivante, cette fois en Europe, Rolls-Royce fait de même pour la course Londres-Edimbourg, en faisant appel à des six cylindres. La transposition aux modèles courants est quasi-immédiate pour les voitures de sport et de luxe. En Europe, c'est le cas pour Delaunay-Belleville, Napier, Mercedes, aux États-Unis pour Marmon. Plus tard, à partir de 1927, on trouvera des six cylindres (presque toujours en ligne) sur un grand nombre de modèles non sportifs, même pour des cylindrées modestes. L'atout principal de cette solution étant la souplesse de fonctionnement du moteur.
[] Huit cylindres et plus
Une nouvelle étape est franchie quand on passe au « huit cylindres ». Ader (France) ouvre la voie en 1903 pour le Paris-Madrid, avec une unité à huit cylindres en V. La même année, apparaissent, toujours pour la compétition, des huit cylindres en ligne.
Les Américains, grands amateurs d'énormes automobiles, démocratisèrent les gros V8 très coupleux au bruit inimitable.
Les constructeurs des monoplaces de F1 utilisèrent pendant plusieurs décennies des V8 de 3 litres de cylindrée, dont le fameux Ford Cosworth.
Dans les années 1990, c'est la structure V10 qui aura la faveur des motoristes de F1. Même Ferrari, très attaché aux 12 cylindres en V, se pliera aux lois de cette formule.
[] Avantages
- Les moteurs à vapeur sont puissants, mais terriblement lourds et encombrants. De plus, ils nécessitent une longue phase de chauffage. En revanche, ils permettent un démarrage très efficace, grâce à la pression de vapeur accumulée ;
- Les moteurs électriques bénéficient d'un excellent rendement, mais utilisent une source d'énergie dont on maîtrise assez mal le stockage, ou la production embarquée : les batteries d'accumulateur restent lourdes, encombrantes et, surtout, longues à recharger ;
- Les moteurs à explosion sont assez légers et petits, compensant un couple un peu faible par une vitesse de rotation élevée. Leur source d'énergie est peu encombrante et rapidement renouvelable, ce qui en fait des moteurs tout à fait indiqués pour équiper de petits véhicules roulants, mais aussi volants. Il n'est plus nécessaire de traîner sa tonne de charbon en plus d'une citerne d'eau pour espérer avancer à une vitesse raisonnable ;
- La facilité d'utilisation et de maintenance de ce type de moteur explique également son succès. Aussi, ces moteurs ne sont pas délicats et fonctionnent sans problème avec divers carburants, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des modifications importantes. L'essence peut être remplacée par de l'alcool ou du gaz et le gazole par des huiles végétales, ce qui, soyons optimistes, pourrait nous permettre de conserver nos véhicules personnels après l'épuisement des réserves pétrolières. Le Brésil a développé à large échelle les véhicules à alcool dans les années 70 et 80 avant de la négliger, puis de la relancer au début du XXIe siècle, avec la vogue des véhicules "flex-fuel" (bi-carburation).
[] Inconvénients
Mais, comme toutes choses sur cette terre, les moteurs à explosion n'ont pas que des avantages.
- Ils ne sont vraiment efficaces qu'à assez basse altitude, là où la teneur de l'air en oxygène est forte : les moteurs à explosion ont permis l'envol des avions, mais ils les limitent également dans leur évolution. On peut compenser partiellement cet inconvénient par l'utilisation de compresseurs ou turbocompresseurs.
- La combustion entraîne le rejet de gaz potentiellement polluants. Ils sont, de ce fait, malgré des aménagements spécifiques, désignés comme une des principales sources de pollution des villes.
[] Améliorations envisagées
[] Carburateur à vide
L'admission aspire un mélange d'air et de vapeur de carburant dans le cylindre (contrairement aux moteurs Diesel). Afin de « vaporiser » de carburant, on a recours à un dispositif extérieur : le carburateur. Il s'agit de pulvériser le carburant dans un courant d'air. Cette vaporisation est incomplète : beaucoup de carburant arrive sous forme liquide dans les cylindres, et ne peut donc pas brûler. Pire, il se colle aux parois, abîmant les cylindres et les pistons, absorbe une partie de l'énergie de la combustion~explosion, et se dissocie en polluants.
Pour éviter cela, il est indispensable de vaporiser totalement le carburant, dans un carburateur à vide. Ce n'est hélas pas répandu. L'énergie investie pour vaporiser ce carburant (par une basse pression, comme son nom l'indique) est très largement compensée par l'augmentation du rendement, qui permet de brûler un mélange plus pauvre.
[] Modification du mélange gazeux
Parmi toutes les modifications améliorant de rendement, on peut citer l'humidification du mélange gazeux.
Voir pour cela Moteur à eau, en particulier la partie Moteur à eau : L'eau comme additif dans le carburant
[] Taux de compression variable
Appelé moteur VCR (Variable Compression Ratio).
Meilleure est la compression du mélange air/carburant, meilleur est le rendement. Cependant, trop compressé, le mélange s'auto-enflamme, ce qui entraîne un phénomène de cliquetis. Une solution à ce problème consisterait à varier dynamiquement le volume de la chambre de combustion. En effet, en ville par exemple, le moteur fonctionne souvent au ralenti, très loin de sa charge optimale et, donc avec un mauvais rendement, que l'on peut constater par une consommation élevée. D'où l'intérêt d'adapter le volume de la chambre de combustion entre faible charge et de fortes sollicitations.
Déjà en 1928, Louis Damblanc dépose un brevet pour moteur à compression variable. Après Volkswagen en 1987, c'est Saab qui dépose en 1990 son brevet et teste son moteur sur 100 000 km, avant de l'abandonner pour bruit et vibrations excessives.
L'idée de MCE-5, fondé par Vianney Rabhi est de faire varier le volume de la chambre de combustion en faisant varier la hauteur du piston dans l'axe du cylindre grâce à une roue dentée et une crémaillère, avec un calcul électronique de la position optimale. Le VCR est particulièrement intéressant couplé avec un turbo, ce moteur imposant un faible taux de compression sur un moteur classique, alors qu'avec le VCR le taux de compression restera optimal. Parmi ses avantages, le VCR accepte plusieurs types de carburant (gaz...) et les gaz d'échappement étant plus chauds, le pot catalytique monte plus vite en température.
Il reste néanmoins à régler des problèmes de poids,de tenue mécanique et des questions de coûts industriels. Mais son indutrialisation à l'horizon 2015-2020 reste très possible, surtout en cas de forte hausse du prix des carburants. Une adaptation du VCR est possible, mais semble peu pertinente en termes économiques.
[] Bibliographie
- Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, 1984. ISBN: 3921564700
- Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949. ISBN: B0000BMMSD
[] Liens
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La source est wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/moteur à explosion
