Un gros plan sur un moteur thermique.
Il existe principalement deux types de moteurs thermiques utilisés dans les voitures : les moteurs dits à essence et les moteurs dits Diesel. Les deux brûlent du carburant pour faire tourner le moteur et faire avancer la voiture. À première vue, donc, c’est juste un choix personnel que de choisir l’une ou l’autre de la motorisation.

D’un point de vue plus technique, les deux moteurs sont un peu différents. Leur carburant également. À tel point d’ailleurs, que se tromper de carburant peut empêcher le moteur de tourner.

Voyons un peu ces différences.

Dénomination

Déjà, un moteur à essence fonctionne avec… de l’essence ! Le moteur Diesel, lui, fonctionne avec du gazole. Il aurait pu s’appeler « moteur à gazole », pour la peine. S’il s’appelle moteur Diesel, c’est en référence à Rudolf Diesel, un ingénieur allemand du XIXᵉ siècle qui mit au point ce type de moteur.
Le moteur a essence, s’il devait porter un nom, s’appellerait le moteur d’Otto (et non pas « auto », quoique), en référence à Nikolaus Otto, également ingénieur, également allemand et également du XIXᵉ siècle.

En fait, il existe un grand nombre de types de moteurs thermiques : moteur Diesel, moteur d’Otto, moteur Lenoir, moteur de Stirling, moteur d’Atkinson, moteur Wankel et bien d’autres. Les deux principaux utilisés aujourd’hui dans l’automobile grand-public sont le moteur Diesel et le moteur d’Otto. Les moteurs à cycle d’Atkinson sont généralement utilisés dans les voitures hybrides, et les moteurs Wankel, ceux avec un pseudo-piston rotatif, étaient connus pour être utilisés dans certaines voitures de la marque Mazda.

Essence et gazole

L’essence est un hydrocarbure léger, principalement composé d’octane, d’heptane et d’alcènes. Cet hydrocarbure étant léger, il s’évapore facilement : il est volatile, et ses vapeurs se mélangent très bien avec l’air. Le mélange air-essence est alors facilement inflammable voire explosif.

Le gazole a son nom dérivant de l’anglais gas-oil, c’est-à-dire « huile gazant », car il produit des gaz quand on le distille. Le gazole est un hydrocarbure nettement plus lourd que l’essence : il est composé de chaînes carbonées de 10 à 20 carbones, typiquement.

Une molécule de tétradécane (gazole) et une molécule d’heptane (essence).
Modèle 3D d’une molécule de tétradécane, un des composants du gazole, en haut, et d’une molécule d’heptane, un des composants de l’essence, en bas.

Le gazole est aussi un produit nettement plus gras et huileux. Il est difficile à enflammer manuellement. Pour y arriver il faut plutôt le vaporiser sur une flamme, car il ne s’enflammera pas si vous approchez une allumette d’une bouteille de gazole.

Le gazole est chimiquement proche du kérosène ou du fioul, alors que l’essence est plus proche de l’alcool et des alcanes légers (gazeux).

Deux moteurs différents

Le moteur à explosion utilise la combustion du carburant pour chauffer le gaz contenu dans un cylindre. Le gaz chaud se dilate, pousse le piston et on obtient un mouvement. En multipliant les pistons et en utilisant un système de bielles, on obtient un mouvement de rotation exploitable.

Dans un moteur Diesel, la combustion du gazole est amorcée par l’échauffement dû à la compression de l’air par le piston : la compression suffit seule à échauffer les gaz autour de 600 °C et à l’enflammer.
L’échauffement produit la descente forcée du piston. Une fois en bas, le piston remonte par inertie et vient chasser les gaz de combustion avant de redescendre puis de remonter. Lors de cette seconde remontée, le piston est clos et l’air s’échauffe sous la pression, et c’est à cet instant qu’on injecte le gazole vaporisé, qui s’enflamme alors. Ces étapes se produisent en cycles répétitifs.

Dans un moteur à essence, on injecte le mélange air+carburant quand le piston est en bas. On laisse le piston remonter et comprimer le mélange, puis on utilise une bougie pour produire une étincelle et enflammer le carburant. L’échauffement et la pression produites vont repousser le piston en bas et faire tourner le moteur.

Les deux moteurs ont donc des méthodes d’inflammation du carburant bien différents :

  • l’essence est allumé par une bougie commandée (on parle d’un moteur à allumage commandé). Ceci est possible, car l’essence, volatile, se mélange à l’air et s’enflamme facilement.
  • le gazole, plus difficilement inflammable y compris avec une flamme, doit être chauffé au-dessus de son point d’auto-inflammation. Ceci est le rôle du piston seul : il va comprimer le gaz, le chauffer, et l’inflammation du gazole est instantanée dès l’injection.

Remarquez que dans ces conditions, il n’y a pas besoin de bougie d’ignition pour un moteur Diesel, car le carburant s’enflamme tout seul au moment où on l’injecte. Il est en revanche nécessaire d’utiliser des bougies de préchauffage lors du démarrage : en effet, quand le moteur est froid, la température n’est pas suffisante pour faire exploser le carburant. Il faut alors produire un point chaud pour aider le moteur quand il est froid.

On pourrait utiliser le même principe d’auto-inflammation dans un moteur à essence, mais cela poserait d’autres problèmes : par exemple, la nécessité d’avoir un bloc moteur beaucoup plus robuste, massif et solide, ce qui serait plutôt coûteux là l’on cherche avant tout à faire des économies et augmenter l’efficience des véhicules en contrôlant le moment où le carburant s’enflamme.

De plus, il est nettement plus difficile d’obtenir ce système avec de l’essence, car il explose bien plus facilement et rapidement que le gazole. Le moteur a essence doit au contraire posséder un taux de compression plus bas afin de ne pas auto-enflammer le mélange air+essence avant que le piston soit en haut.
Ainsi, là où le moteur Diesel comprime avec un ratio de 16:1, le moteur essence se limite à 10:1. Certaines voitures essence montent parfois au-dessus pour des questions de performance (voitures de course), mais on entend alors les auto-inflammations claquer et exploser, ce qui, sur une voiture normale abîmerait le moteur beaucoup trop rapidement.

C’est également la raison pour laquelle les moteurs Diesel font plus de bruit et vibrent plus qu’un moteur à essence : l’essence s’enflamme progressivement dans le cylindre, sans réellement exploser de façon incontrôlée comme le fait le gazole.

Pour résumer cette section : l’essence et le gazole sont des produits différents. Le premier est volatile et s’enflamme très vite quand il commence à se mélanger avec l’air, le second est bien plus gras et ne brûle pas sans être vaporisé et fortement chauffé.

Les moteurs Diesel (gazole) et d’Otto (essence) utilisent donc chacun à leur avantage les spécificités d’un carburant bien précis. Chaque carburant est donc adapté à un moteur particulier.

Quelques autres spécificités

Le gazole est huileux et possède des chaînes carbonées plus longues que l’essence, qui est lui plus volatile et proche de l’alcool.

Ceci explique alors très bien ce qui suit :

  • les moteurs Diesel acceptent sans problème le kérosène et même l’huile végétale (colza, tournesol…), bien que ce soit interdit en France pour des raisons de taxes. Ces produits sont chimiquement très proches.
  • les moteurs essence acceptent quant à eux l’alcool (l’éthanol), qui est également très volatile et se mélange bien avec l’air ; et également le gaz (GPL). Les véhicules essence sont d’ailleurs modifiables facilement pour fonctionner à l’éthanol ou au gaz. Tous ces produits ont pour point commun le fait de très bien se mélanger avec l’air et de s’enflammer à la moindre étincelle.

De plus en plus de producteurs de carburants ajoutent de ce fait des carburants d’origine végétale (« biocarburants ») dans les carburants fossiles, que ce soit dans le gazole (huile végétale) ou dans l’essence (bioéthanol).

  • les moteurs Diesel, avec leur taux de compression plus élevé, ont un rendement thermodynamique plus élevé : la chaleur est mieux convertie en travail mécanique. Concrètement les moteurs Diesel consomment moins de carburant au kilomètre qu’un moteur à essence. Ils émettent, de ce fait, également moins de CO2. En revanche, les températures et pressions bien plus élevées atteintes dans les chambres de combustion provoquent une sur-combustion des gaz, en particulier de l’azote. Ces moteurs émettent donc davantage d’oxydes d’azote, qui sont des gaz nocifs.
  • Enfin, en règle général, les moteurs Diesel sont plus puissants : ils sont donc presque toujours utilisés sur les moteurs des véhicules lourds, comme les engins de chantier, les camions, les tracteurs.

Si on se trompe de carburant, il y a un problème, car les deux moteurs ne fonctionnent pas selon le même mode. Si on injecte de l’essence dans un moteur Diesel, ça brûlera, mais beaucoup trop tôt, ou trop tard et le moteur ne tournera pas bien ou même pas du tout.
Si l’on injecte du gazole dans un moteur essence, ce carburant étant peu inflammable avec une flamme ou une étincelle, il y a un risque que le carburant ne brûle pas du tout et le moteur ne démarrera pas non plus.

En pratique, s’il y a un peu de gazole dans un réservoir d’essence, ou vice-versa, le moteur fonctionnera. Ce seront plutôt les filtres, injecteurs et autres éléments spécifiques au carburant qui vont s’encrasser : souvenez-vous que si l’essence est volatile et sèche rapidement, le gazole est gras et peut encrasser tout ce qu’il touche. Se tromper de carburant n’est donc pas conseillé.

image d’en-tête de Gábor Szűts

27 commentaires

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Juju wrote:

C'est clair. On peut ajouter un point sur la différence de prix à la pompe (surtout dans le passé) du fait de la distillation de l'essence.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : Je n’ai pas été cherché sur ce côté là, mais actuellement le différence (ou son absence de différence) est plutôt une question de taxation. En France, le prix du gazole se rapproche de celui de l’essence afin d’inciter les gens à se tourner vers les voitures essence, dont les émissions sont moins nocives.

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SeaBee wrote:

En fait, le moteur SkyActiv-X de Mazda fonctionne dans le deux modes selon les circonstances, il équipe la Mazda 3 BP de 2019, taux de compression de 16:1.

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Breizhad wrote:

En fait je ne suis pas d'accord avec un point : un moteur diesel n'est pas plus puissant que son "équivalent" essence, bien au contraire, mais à plus de couple.
C'est à dire qu'un diesel avec son plus haut rendement produit plus d'énergie qu'un essence, par contre l'essence permet d'atteindre des régimes de rotations bien plus élevés qu'un diesel.

Un dernier point à aborder peut être la température de fonctionnement et d'échappement qui joue un grand rôle dans la dépollution. Toujours du fait de son plus haut rendement il y a moins d'énergie convertie en chaleur dans un diesel donc arriver aux températures de bon fonctionnement de la dépollution est plus difficile que dans un essence.
On peut constater ça très facilement l'hiver, le chauffage de l'habitacle d'une voiture diesel est bien plus long à produire de l'air chaud (récupéré du moteur) qu'un essence.

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Kevin V. wrote:

@Juju : a contrario, le Diesel est plus cher que l'essence en Suisse. Comme l'a dit Timo, c'est principalement pour une question de taxes ;)

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Le Hollandais Volant wrote:

@Breizhad : Effectivement, il faut nuancer les notions de puissance / couple / travail, etc.

Bonne remarque pour le chauffage ! Je viens de changer récemment et la différence est extrêmement visible ! J’avais pas songé au fait qu’une plus grande partie de l’énergie était convertie en chaleur (ce qui semble totalement logique au final), mais je pensais que ça venait seulement de la masse du bloc moteur plus important dans un Diesel (et donc plus de chaleur nécessaire pour le réchauffer, avant qu’il puisse réchauffer l’habitacle).

@SeaBee : Merci ! Je ne savais pas que certains constructeurs avaient mis ce système dans des voitures de série ! Les économies (jusqu’à 20 % selon le constructeur) semble très intéressantes !

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SeaBee wrote:

@Le Hollandais Volant : Ça semble être une invention Mazda, et utilisé seulement sur un des moteurs de la Mazda 3, ce qui est un peu dommage, c'est qu'il s'agit d'un moteur assez puissant (180 ch), ça serait encore plus intéressant avec un moteur moins puissant (si l'économie était conservée) et en hybride. Et qu'ils partagent leur techno avec d'autres constructeurs, parce qu'un seul modèle de voiture équipé... C'est gâché

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Le Hollandais Volant wrote:

@SeaBee : Clairement !
En ajoutant le système hybride, et donc être capable d’augmenter la cadence moteur pour passer dans le mode auto-inflammation afin de recharger la batterie (donc passer une plus grande partie du temps dans un mode nettement plus efficient), pour pouvoir éteindre le moteur thermique en ville (principe de l’hybridation), ça pourrait être sacrément intéressant !

Ensuite ça risque d’être cher, mais très prometteur.

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blux wrote:

Enfin, en règle général, les moteurs Diesel sont plus puissants : ils sont donc presque toujours utilisés sur les moteurs des véhicules lourds, comme les engins de chantier, les camions, les tracteurs.
Pas d'accord, c'est la conception de la chaine cinématique qui les rend intéressants : ils tournent moins vite (consommation plus faible), donc on peut tailler le cylindre pour avoir une course longue et alésage important, à l'inverse des moteurs à essence qui sont, pour la plupart "super-carrés" (course plus faible que l'alésage). Cela permet de décaler l'axe de bielle (sur le vilebrequin) et donc d'avoir plus d'effet de levier.

Le moteur à piston rotatif a bien été utilisé par Mazda jusqu'à récemment, mais il a beaucoup équipé certains véhicules dans les années 50/60 : Panhard, NSU...
Il a un excellent rendement (malgré sa fragilité), sans doute à l'origine de son interdiction en compétition automobile.

Quant au prix du gazole et de l'essence, ne pas oublier qu'un litre de pétrole donne environ la moitié en essence et seulement un quart en gazole/mazout lors du raffinage.

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Breizhad wrote:

@SeaBee :
c'est une invention mazda mais ça laisse les testeurs un peu sur leur fin, au fond c'est pas tellement mieux qu'un moteur "classique ".
Par contre Mazda à annoncé que c'était encore plus intéressant sur un 6 cylindres. Plus qu'à attendre.
Et de mémoire ne crois qu'il est hybride, il a un gros start et stop qui lui permet de diminuer les consommations lors des démarrages.

Là ce n'est que mon avis mais le meilleur compromis pour une voiture multi usage (ville, et route) était l'hybride air de Peugeot. L'énergie récupéré était stocké dans une bonbonne d'air. Cette énergie suffisait pour aider lors des accélérations. Résultat une voiture qui consommait moins en ville et pas plus sur route car le système était léger, facilement logeable, durable, ecolo, etc...
Peugeot à construit des démonstrateurs tout à fait abouti mais n'a pas trouvé de partenaire et n'a pas osé se lancer seul.

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Juju wrote:

@blux :
En effet, du coup j'ai vérifié: avec un baril de pétrole, on fait:
74 litres d'essences diverses
15 litres de kérosène (avions)
35 litres de gazole et mazout
2 litres de lubrifiant
9 litres de mazout lourd (centrale thermique)
5 litres d'asphaltes (routes)

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Bzh06 wrote:

Bonjour,
Petit correctif, Diesel n'a jamais inventé de moteur à gazole. On utilise ce type de moteur avec ce carburant mais à la base il était conçu pour tourner à l'huile végétale.

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Guil wrote:

J'ai une voiture essence, je vais revenir au diesel car pour le même prix les kms ne sont pas les mêmes

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Danirf wrote:

On peut rajouter que les essences modernes à injection directe peuvent fonctionner en « cycle diesel ». Une petite quantité d’essence est injectée autour de la bougie en fin de compression pour fonctionner en mélange pauvre (ou stratifié). Ce mode de fonctionnement est utilisé à faible charge pour diminuer la consommation et produit du coup le même type de polluants que le diesel, NOx et particules... d’où l’ajout de filtre à particules sur les moteurs essences modernes.
En ce qui concerne le temps de chauffe des moteurs, je pense que le « front de flamme » et plus éloigné des parois des cylindres sur un diesel (ou essence en mode stratifié) et transmet du coup moins la chaleur. Dis autrement la flamme ne remplie pas le cylindre et ne touche pas les parois du cylindre qui chauffe donc moins.

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John d'oeuf wrote:

@Guil : pour économiser 10 centimes ?
Les moteurs essence sont beaucoup plus fiable (pas d'encrassement, pas de Vm bimasse, pas de problème injecteurs ni turbo, etc ...), à choisir je préfère mettre un peu plus dans le carburant que beauuuuucoup plus dans les pannes ;-)

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John do wrote:

@Le Hollandais Volant :
Faux, les voitures diesel équipées de systèmes scr ( adblue) sont reconnues moins polluantes que les essences les plus modernes.

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M2 wrote:

La performances du moteur (Diesel où essence) dépend du rapport poid/puissance.
Le choix et la rentabilité de l'un ou de l'autre est fonction de l'utilité; pour cela leur production s'exerce parallèlement...

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Le Hollandais Volant wrote:

@John do : Effectivement, ça semble aider.
C’est visiblement en place très largement sur les camions, mais quasiment pas sur les voitures personnelles, même récentes (selon Wiki, seules quelques marques l’ont mises sur un petit nombre de leur véhicules).
Et pour cause, ça prend de la place, coûte cher et demande un appoint régulier en ammoniaque ou urée.

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blux wrote:

@M2 :
La performance d'un moteur ne dépend pas du rapport poids/puissance, c'est la performance du véhicule qui en dépend.
Dans les années 80, les moteurs de Formule 1 utilisés pendant les essais faisaient 1500 ch avec un turbo et 1,5 l de cylindrée, c'était donc pas un problème de poids...

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Pépito wrote:

Super sujet comme d'habitude.Mais j'aimerais comprendre quelque chose,j'entend parfois parler de moteur

dopé à l'eau

mais je ne comprend pas vraiment comment avec ce système ça peux fonctionner.

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Le Hollandais Volant wrote:

@Pépito : Ces dispositifs injectent de l’eau dans la chambre de combustion. L’eau ne brûle pas, mais il a pour effet de nettoyer le moteur (comme un nettoyage vapeur) des résidus carbonés qui s’accumulent principalement sur les moteurs diesel. Le moteur, propre, consomme alors un peu moins qu’un moteur encrassé.

L’eau aide aussi à la vaporisation du carburant, et permet donc une combustion/explosion plus homogène au sein de la chambre de combustion et donc une meilleure efficacité générale du moteur.

Cela dit, selon les systèmes, ça semble produire davantage de NOx.

Voir là : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016816302812

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Breizhad29 wrote:

@Pépito :
BMW s'amuse à ça, Mercedes aussi je crois et Peugeot l'a fait et a arrêté.
Et oui, le but est de refroidir la chambre de combustion pour garantir la meilleure des combustion possible dans la durée. En compétition ou voiture de sport ils utilisent un petit réservoir d'eau, pour les voitures "normales" l'eau de condensation de la clim suffit.

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campesien wrote:

Salut,

Tu dis que "les moteurs Diesel, avec leur taux de compression plus élevé, ont un rendement thermodynamique plus élevé : la chaleur est mieux convertie en travail mécanique. Concrètement les moteurs Diesel consomment moins de carburant au kilomètre qu’un moteur à essence."
C'est vrai mais incomplet. La puissance d'un moteur dépend non seulement du rendement mais aussi de la cylindrée (volume d'air admissible) et des caractéristiques du carburant, notamment son pouvoir calorifique.
Ainsi, l'essence dispose d'un PCI de 35.5 MJ/L alors que le gazole a un PCI de 38 MJ/L (source: https://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_calorifique). Normal dès lors qu'on puisse faire plus de kms avec du gazole que de l'essence.

D'ailleurs, il est rigolo de constater que cette énergie liquide embarquée est considérablement plus importante que celle des voitures électriques. Si on prend en exemple le VE avec la plus grosse batterie (~100 kWh auj), ça ne représente qu'une dizaine de litres d'essence ou gazole.
Pour autant, quand on constate qu'un constructeur comme Tesla arrive à faire faire à ses grosses berlines environ 600 kms avec cette énergie, ça montre bien la déperdition calorifique qu'entraîne la combustion d'un moteur thermique qui avec la même réserve d'énergie ne pourra tout au plus faire que 100 à 200 kms...

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Le Hollandais Volant wrote:

@campesien : Oui, effectivement : sur un moteur thermique, le rendement énergétique n'est que de 20 à 30 % environ. Les 70-80 % restants sont dissipés sous forme de chaleur.

On monte au delà de 90 % pour un moteur électrique, et donc moins de 10 % de l'énergie se transforme en chaleur perdue.

Le pire c'est que les moteurs thermiques ont un rendement maximal théorique (autour de 66 %, typiquement). En pratique, on atteint environ 40 % dans les conditions optimales (régime moteur optimal) et entre 15 et 30 % la plupart du temps.

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Juju wrote:

Il reste qu'il faut produire de la chaleur dans presque tous les cas pour faire de l'électricité !

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Breizhad wrote:

@Juju :
C'est exactement ces sources d'énergies que l'on utilise pour les transformer en électricité qui faudrait réussir à remplacer. Les sources de chaleur c'est le charbon, pétrole et nucléaire. Dans tout ce qui est éolien, hydroélectrique, etc... Pas de chaleur donc je pense plus de rendement au niveau bilan carbone et déchets.
Enfin ceci très sommairement bien sûr, la construction d'une centrale électrique , quel que soit son énergie de base à des répercussions écologique non négligeables.

Pour moi le plus grand gâchis énergétique est la clim, on utilise beaucoup d'énergie pour refroidir un espace intérieur en augmentant donc encore plus la température extérieure ! Et pire, beaucoup de bâtiments ne sont pas viable sans climatisation.
J'ai "testé" un centre commercial (construit il y a moins de 10 ans) avec clim en panne un hiver, on cuisait dedans, ça m'a vraiment surpris.

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Pirlouit wrote:

Sujet très intéressant et vos commentaires se complètent très bien , je serais intéressé de connaître votre avis sur le moteur 2 temps , on n'en parle peu car lui colle a la peau les odeurs et les fumées mais cela est de l'histoire ancienne . Francis Payart , ingénieur français a développé un bicylindre 250 cc injection très performant , on peut retrouver facilement son projet sur le site Moto Station . Sachant que le rendement du moteur 2T est élevé , qu'on utilise des huiles biodégradables , qu'il est léger , et qu'il permet des vitesses de rotation très élevées , pourquoi ne pas investir dans le développement de ce type de moteur , certains l'ont fait pour équiper des moto neige tout en respectant les normes environnementales . Merci pour vos commentaires .


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