Si vous avez passé votre permis de conduire, vous connaissez sans doute le frein moteur : cela permet de ralentir le véhicule sans utiliser les freins classiques. Mais, comment ça marche ? Comment peut-on freiner avec le moteur ?

La fonction première du moteur est de fournir de l’énergie à notre véhicule pour le faire avancer. Il possède néanmoins un pouvoir ayant pour conséquence l’effet inverse : la possibilité de ralentir le véhicule.  Ce système de freinage permet d’économiser les plaquettes de freins, non sollicitées au profit de ce fameux « frein moteur ».

Le principe du moteur

Pour comprendre comment fonctionne le frein moteur, nous allons tout d’abord effectuer un bref rappel du fonctionnement d’un moteur thermique. Nous nous intéresserons ici uniquement aux mouvements au piston.

Son principe est assez simple : on récupère l’énergie chimique contenue dans le carburant en le brûlant. Cette combustion va générer de la chaleur, et augmenter la pression de l’air dans le piston. Cela va donc exercer une force sur ce dernier. Ne pouvant résister à cette augmentation de pression, le piston n’a pas d’autre choix que de subir une translation, mettant en mouvement un vilebrequin. Ce dernier va convertir le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation continue, entraînant les roues.

Rien de mieux qu’une illustration pour comprendre cela :

Animation du cycle d’un moteur thermique

On peut décomposer le cycle du piston en 4 étapes : (c’est d’ailleurs pour cela qu’on appelle « moteur 4 temps »)

  • Admission : de l’air à la température et pression atmosphérique est « aspirée » par le piston.
  • Compression : l’air est comprimé par le piston, augmentant sa température et sa pression.
  • Combustion : l’air et le carburant sont brûlés afin d’augmenter la température et la pression.
  • Détente : sous l’importante pression, le piston n’a pas d’autre choix que de s’abaisser, permettant à l’air de récupérer sa place initiale
  • Échappement : l’air est finalement rejeté à l’extérieur.

Tout au long du cycle, nous pouvons représenter la pression du fluide dans le piston en fonction du volume.

Diagramme P-V d’un moteur thermique

Ce diagramme nous donne deux indications implicites essentielles sur le comportement du moteur.

L’air sous la courbe nous donne la quantité d’énergie convertie durant les 4 étapes. Le sens de parcours du cycle nous indique si cette quantité d’énergie a été produite ou consommée par le moteur. Dans le cas précédent, on parcourt le diagramme dans le sens horaire : le cycle produit donc de l’énergie mécanique, permettant de faire avancer le véhicule. Cela paraît logique : on apporte de l’énergie thermique via la combustion de carburant. Cela va générer une augmentation de pression que l’on va récupérer mécaniquement par l’intermédiaire de la mise en mouvement du piston.

Le principe du frein moteur

Pour que le frein moteur fonctionne, il est essentiel que la combustion n’ait pas lieu (sinon, on apporterait de l’énergie au moteur). Toutes les autres étapes (compression, détente, admission et échappement) peuvent être présentes. Cependant, la succession indépendante de celles-ci ne peut pas générer du « frein moteur ». En effet, l’énergie emmagasinée par l’air lord de la compression est totalement restituée au piston lors de la détente. Le bilan énergétique est donc nul. Le frein moteur provient donc de causes extérieures.

Il en existe deux types principaux, propre au moteur à  essence et diesel.

Moteur à essence

Pour le moteur à essence, Lorsque la pédale d’accélération est relâchée, la soupape d’admission n’est pas ouverte…  Mais elle n’est pas complètement fermée non plus ! En effet, elle est partiellement obstruée : une toute partie d’air peut s’y engouffrer. Ainsi, lorsque le piston est en phase de descente, de l’air est censée être aspirée. Or, à cause de l’obstruction, ce n’est pas totalement le cas. Le piston « étire » le gaz qu’il aspire : c’est une détente. Cela crée une dépression, qui a tendance à « aspirer » le piston vers le haut, et donc à le freiner. La soupape d’échappement s’ouvre ensuite, permettant de rééquilibrer la pression au sein du cylindre. L’air est ensuite refoulé.

Animation du frein moteur du moteur essence

Comme tout à l’heure, nous pouvons représenter le diagramme P-V du cycle.

Diagramme P-V du frein moteur du moteur essence

Cette fois-ci, le parcours du site se fait dans le sens antihoraire . Le moteur cède donc de l’énergie à l’extérieur : c’est le frein moteur !

Moteur diesel :

Le fonctionnement du moteur Diesel est très différent de celui à essence. En effet, contrairement à son voisin, la régulation de l’accélération se fait par injection de carburant, et non par le contrôle de la quantité d’air à l’admission. Le frein moteur ne peut donc pas être causé par l’obstruction partielle de la soupape d’entrée d’air. Cette fois-ci, c’est l’échappement qui est en partie obstrué.

Animation du frein moteur du moteur diesel

En effet, lors de la remontée du piston, l’air ne peut pas complètement s’échapper. Il est donc comprimé, faisant monter en température et en pression ce dernier. Cette compression demande une énergie à fournir conséquente au piston. À la fin de sa course, le piston reprend  son cycle avec l’admission de l’air, et ainsi de suite.

Diagramme P-V du frein moteur du moteur diesel

Le sens de parcours du diagramme Pression – Volume est identique à celui du moteur à essence. De l’énergie est cédée à l’extérieur à cause de la compression.

 Conclusion :

Le frein moteur est généralement causé par l’obstruction partielle des entrées ou échappements d’air. Pour le moteur à essence, l’obstruction de l’entrée d’air induit une détente forcée, consommatrice d’énergie. Le moteur diesel, quant à lui, compresse l’air lord de son échappement, pompant de l’énergie au piston.