Puissance Et Couple - Du Côté Du Moteur

 

Puissance et couple – Du côté du moteur

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23/05/2013 21:19 http://blogautomobile.fr/puissance-couple-cote-moteur-137052

 à voir ,  Mécanique & Technologie le Technologie  le janvier 10, publié par  Benoît dans   Benoît  dans à 2012  Après avoir évoqué la semaine dernière la différence entre le couple BlogAutomobile

et la puissance d’un moteur, je vous propose aujourd’hui de regarder  en détail la façon dont est produit le couple moteur et de lister 

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quelques quelque s moyens moyens dont on dispose dispose pour optimiser les performances performances d’un moteur.

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Vidéo mettant en avant l’injection sur un V10 Renault F1 Si cette vidéo vous fait quelque chose, vous pouvez continuer  Si vous avez loupé la première partie, il n’est pas trop tard et c’est  par 

  dans  Alfa Romeo & vociamici  dans Alfa Maserati : Au rappel aux USA

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Vous trouverez ici des explications simplifiées, dans une démarche de vulgarisation. Nous regarderons regarderons uniquement le côté couple et performances performances sans prendre en compte les problématiques consommation et/ou

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Si l’on mesure ou calcule le couple INSTANTANE au bout du vilebrequin on tombe sur quelque chose qui ressemble à ça :

Notons qu’on se trouve ici à un régime de 3200 tr/min et qu’il s’agit d’un moteur 4 cylindres en ligne. En pointillé, on a le couple généré uniquement par l’inertie de l’équipage mobile (piston, bielle, vilebrequin) l’équipage vilebrequin) et en trait plein le couple obtenu sur le vilebrequin lorsqu’on ajoute le couple généré par la combustion. On voit que, pendant un cycle, les instants où le couple est maximal correspondent aux combustions.

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Pour l’anecdote, regardons ce que donne le même moteur, mais cette fois à un régime plus élevé, 5400 tr/min :

Mêmes légendes que pour le graphique précédent. Par contre, le couple maximal n’est pas « causé » par la combustion mais par  l’inertie des pièces. Longue course, carré, super carré ? Comme vous le savez sans doute, l’alésage correspond au diamètre d’un cylindre et la course correspond à la distance entre le Point Mort Haut (PMH) et le Point Mort Bas (PMB).

Un moteur longue course est un moteur dont la course est plus

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grande que l’alésage. Pour un moteur carré, la course est égale à l’alésage. Un moteur super carré a quant à lui un alésage plus grand que sa course. Quelles sont les différences ? En faisait la même analogie que dans l’article l’art icle précédent (couple de serrage), serrage), un moteur longue course dispose d’un « grand bras de levier ». C’est à dire que pour une même quantité de carburant brûlée dans le cylindre, le couple instantané instan tané généré sera plus élevé. Comme vous pouvez le voir sur l’animation ci-dessous, pour un même régime moteur, le piston d’un moteur longue course (en rouge) a une vitesse moyenne nettement plus élevée que pour un moteur  supercarré. superc arré. Cette vitesse est limitée limitée par les matériaux matériaux utilisés et limite limite le régime maximal du moteur. Les moteurs longue course sont donc de moins en moins présents dans l’automobile pour cette raison. Il sera plus facile de faire de la puissance par la vitesse de rotation que par le couple produit (Rappel : Puissance = Couple x Régime)

Le moteur Toyota 1,0L 3 cylindres qui équipe l’Aygo, la 107 et la C1 est un exemple de moteur longue course.  A l’opposé, les moteurs de F1 sont très super-carrés et permettent d’atteindre d’atte indre les régimes régimes de rotation rotation extrême tout en garantissant garantissant la durabilité nécessaire à plusieurs courses.

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C’était donc le côté « mécanique ». Quelle est la recette pour fabriquer du couple ? Le couple est directement lié à l’énergie libérée lors de la combustion. L’énergie libérée lors de la combustion est proportionnelle à la masse de carburant introduite introduite dans la chambre chambre de combustion. La masse de carburant est conditionnée par la masse d’air admise dans le cylindre (en effet, pour brûler x grammes de carburant, il faut y grammes d’air). On en arrive donc à : pour :  pour faire du couple, il faut admettre de l’air. Pour cela, plusieurs solutions complémentai complémentaires res ou non : La cylindrée Comme vous vous en doutez, il s’agit ici du moyen le plus simple pour générer du couple. Plus un moteur a une cylindrée élevée, plus il pourra admettre une masse d’air importante. Le gros point positif d’un « gros » moteur est qu’il aura la capacité la  capacité d’admettre une grosse quantité d’air quel que soit le régime. régime.

Un gros V12 de chez Lambo. Atmosphérique ou suralimenté ? Comme je l’avais abordé il y a quelque temps dans un article (quoi, vous ne l’avez pas lu ?? allé zou, c’est zou,  c’est ici), ici), la suralimentation permet de « gaver » le moteur.  Un moteur moteur suralimenté suralimenté admettra, admettra, à un

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régime régim e moteur moteur donné, donné, une masse d’air plus importante importante qu’il le ferait naturellement. Le turbocompresseur turbocompresseur est la solution de suralimentat suralimentation ion la plus répandue dans les moteurs automobiles et a un champ d’action assez large : des faibles aux hauts régimes.  Attention cependant, pour les très faibles régimes, le turbocompresseur n’est pas actif et ne permet donc pas une suralimentation en air. De plus, pendant les phases transitoires, le turbo a un temps de réaction (turbo lag) qui a fait (ou qui fait toujours) le charme de certaines motorisations mais qui peut parfois être désagréable. L’utilisation d’une multi-suralimentation (bi-turbos ou compresseur+turbocompresseur) permet de s’affranchir du problème de suralimentation à très faible régime mais représente un coût et une complexité non négligeable.

 Le V12 PSA Mazout’ et ses turbos La distribution La distribution est la partie qui correspond à l’étude des lois de levées des soupapes d’admission d’admission et d’échappement d’échappement.. Comme Comme vous pouvez vous en douter, cette science est très importante puisque c’est elle qui va régir  l’arrivée  l’arrivée des gaz frais (et frais  (et éventuellement du carburant) et l’évacuation et  l’évacuation des gaz brûlés. brûlés. Cela peut paraître simple mais ça ne l’est pas : en effet, le moteur à combustion interne accueille de nombreux nombr eux phénomènes physiques qui vont différer en fonction fonction du régime de rotation. Un exemple : vous avez ci-dessus le tracé de la levée d’une soupape d’échappement (courbe de gauche) et d’admission (les trois courbes de droite, prenons celle en pointillés pointillés pour l’instant). l’instant).

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Je vous donne quelques indications pour que vous puissiez vous y retrouver : - de 0 à 180°, le piston descend : c’est la phase de combustion/détente - de 180 à 360°, le piston remonte : c’est la phase d’échappement - de 360 à 540°, le piston descend : c’est le phase d’admission - de 540 à 720°, le piston remonte : c’est le phase de compression - et ainsi de suite. Plusieurs situations maintenant : - si l’on est à pleine charge (c’est à dire pied au plancher) et à faible régime moteur : on veut que l’air emmené pendant la phase d’admission reste dans le moteur. Or on se rend compte que la soupape d’admission se ferme légèrement après 540°, vers 590°. Il seraitt donc intéressant serai intéressant de décaler décaler l’ouverture l’ouverture de la soupape d’admission : c’est la position « Advanced ». - si l’on est à pleine charge et à un régime moteur élevé : on veut maintenant maint enant profiter de l’inertie l’inertie de l’air dans le circuit circuit d’admission. d’admission. On va maintenant chercher à fermer la soupape d’admission un peu plus tard, pour profiter de la « bouffée » d’air. On garde toujours en tête que plus on d’air, mieux c’est ! Petite vidéo rapide :

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Cet exemple très simplifié met en avant les difficultés qu’on peut rencontrer et qui sont en partie traitées par les systèmes VVT, V-Tec et autres systèmes de décalage d’arbres à cames.. L’acoustique On parle ici d’acoustique comme de l’étude de la propagation des ondes. Le moteur, moteur, par ses actions mécaniques mécaniques (ouverture (ouverture et fermeture des soupapes d’admission et d’échappement, mouvement du piston, …) va former des ondes de pression qui vont se propager, se réfléchir, … dans les circuits d’admission et d’échappement du moteur. En réalité, on réalité,  on profite de ces ondes pour faciliter la vidange du moteur et améliorer au maximum son remplissage en air . En ouant sur la forme du collecteur d’échappement par exemple, sur la longueur et le diamètre des tubes d’admission, sur la position du filtre à air, … Malheureusement pour nous, les optimisations que l’on peut réaliser  ne sont valables que pour des régimes moteur donnés. En effet, si une onde de surpression arrive juste avant la fermeture de la soupape d’admission d’admission à 2000tr/min, 2000tr/min, elle arrivera arrivera trop tard (=après la fermeture) si le moteur tourne à 2500 tr/min. C’est pour cette raison que certains moteurs sont équipés de systèmes systèmes d’ »acoustique variable ». Un exemple ci-dessous : pour les bas régimes, le clapet est fermé et la longueur du tube d’admission est donc élevée. L’onde de pression met du temps pour faire un aller/retour entre la soupape d’admission et l’extrémité du tube : c’est bien puisque le moteur ne tourne pas

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vite. Pour les hauts régimes, c’est l’inverse, le tube d’admission est plus court pour que l’onde fasse son aller/retour aller/retour rapidement. rapidement. Malin hein !

Quelles sont les limites ?  Après ces quelques exemples, il est important de noter que de nombreux éléments viennent limiter les performances des véhicules : le prix de la technologie (je le mets en premier, c’est la crise), la technologie (plage de fonctionnement d’un turbocompresseur, …), les émissions polluantes (présence du catalyseur à l’échappement qui introduit introd uit une perte de charge), charge), le cliquetis cliquetis (combustion (combustion anormale anormale pour  les moteurs essence), les émissions de fumée pour les moteurs Diesel, Diese l, la résistance résistance des matériaux, matériaux, … S’il faut retenir quelque chose, ce serait que  la construction d’une courbe de couple d’un moteur est le fruit de multiples compromis.. compromis Pour info, la limite est par là :

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Prochaine étape : prendre des moteurs concrets et vérifier tout ce qu’on a dit aujourd’hui en s’appuyant sur des courbes de couple Retrouvez-moi sur   engineworld.fr engineworld.fr pour d’autres articles techniques sur les moteur moteurs s.

 Sources : Wikipedia, Google Books, Youtube, PSA, BMW, auto-innovations.com, auto-innovations. com, philippe.boursin.perso.sfr.fr philippe.boursin.perso.sfr.fr

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Comments

10 janvier 2012   |   Répondre Etttttt BOUUUM LoooL. Faut pas rigoler avec les moteurs !  Surtout quand ils commencent à tourner bizarrement ! 

10 janvier 2012   |   Répondre ’adore .

10 janvier 2012   |   Répondre Les ptites animations sont quand même géniales pour  améliorer la compréhension, j’ai galéré à l’époque pour 

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comprendre quelques notions, avec ces trucs ça va tout seul… Ça donnerait   presque envie de retourner en cours quand on voit comment les supports  progressent ^^ 

10 janvier 2012   |   Répondre quelques trucs de base aussi qui ameliore le couple au detriment de la puissance: -volant moteur lourd (enfin le poid des pieces en rotation) -2 soupapes par cylindres au lieu de 3, 4 ou 5  -des collecteurs d’admission et echappement ne favorisant pas l’ecoulement des gaz 

10 janvier 2012   |   Répondre J’avais lu dans un livre sur l’histoire de la course automobile que les premières voitures de course, aux alentours de 1900, utilisaient des moteurs super longues courses pour augmenter  la puissance (avec l’expérience de l’époque). Ils étaient peu fiable et certains participant se cachaient pour  changer les pistons durant la course, ils pouvaient se cacher  car les courses ne se déroulaient pas sur circuit mais entre deux villes. Est ce que ce manque de fiabilité est dû au type du moteur : les  pistons s’usent plus vite du ffait ait de la distance de frottement  accrue ? Ou les nouveaux moteurs longue course comme la Toyota Aygo, 107 et la C1 évoquées dans l’article sont plus fiable ?

10 janvier 2012   |   Répondre @XAV : tout à fait ok avec toi  @reglage @regl age allum allumage age :

je ne conna connaissai issais s pas cette anec anecdote dote

mais effectivement, il y a de grande chance que le manque de fiabilité soit lié au fait que les moteurs soient des longues courses. On prend comme indicateur la vitesse moyenne linéaire du piston, qui est représentatif des niveaux de sollicitation du moteur : plus elle est élevée, plus l’inertie des  pièces, les contraintes mécaniques, les frottements, … seront  élevés. Les moteurs qui ont la vitesse linéaire de piston la plus élevée (en dehors de la F1) sont aux alentours de 25 m/s (90 km/h). La fiabilité des moteurs « longue course » actuelle n’est bien entendu enten du pas à remettre en cause : tout d’abord on n’est pas

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dans le cas où la course est 2x plus grande que l’alésage (on n’a donc pas des vitesses de piston faramineuses) et les progrès réalisés au niveau des matériaux, du dimensionnement mécanique, de la lubrification font qu’on a au final quelque chose de fiable..

10 janvier 2012   |   Répondre Merci Benoît pour les explications

29 janvier 2012   |   Répondre Sans te presser, Benoît, tu la prévois pour quand la suite de ton sujet. Je suis curieux de connaître la relation entre couple Nm et consommation ou ce qui fait que des moteurs de même  performances, au final ne consomment pas pareil. Pour choisir  un moteur, moteur, vaut-il mieux se baser sur le couple Nm ou la  puissance Kw pour avoir un bon agrément de conduite (journalière), sans faire hurler le moteur et garder le contrôle de la conso? Merci pour tes articles.

30 janvier 2012   |   Répondre @Phil : merci pour ton commentaire. Je pense que la suite arrivera mercredi ou jeudi. On en repar reparlera, lera, mais le moteur que tu recherches est typiquement un moteur  « coupleux », c’est à dire qui a un couple assez  élevé et qui arriv arrive e à un régime assez faible faible.. Plus le couple est élevé, plus la boîte pourra être allongée (compromis avec l’agrément) et plus on ira vers des consos faibles. De plus, un couple important ira dans le sens de meilleurs reprises. On verra ça très vite, mais dans ton cas, il vaut  mieux jeter un oeil du côté du  couple max et du   (idéalement voir la régime auquel il est atteint  (idéalement courbe de couple).  A bientôt et si tu as une question ou si tu veux  une comparaison entre deux modèles précis, n’hésite pas ! 

30 janvier 2012   |   Répondre En voilà un blog sympa où on vous répond même le dimanche!  Merci Benoît pour tes explications. J’ai encore plein de

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questions à poser mais j’attends la suite pour ne pas abuser. Comme passionné « moteur haut rendement », j’ai une petite expérience de deux  ans d’utilisation d’acétone dans le carburant dans mes deux voitures, une Saab 9000 et une diesel HDi, pour ceux que çà intéresse. Par ailleurs, roulant assez   peu, j’ai aussi tenté de garder mes pneus hiver toute l’année (sous certaines conditions) pour éviter l’achat, le stockage (et vieillissement) de 8 pneus supplémentaires (pour mes 2 voitures), tout en roulant « safe »: aussi pour ceux  que çà intéresse.

31 janvier 2012   |   Répondre N’hésite pas si tu as des questions, j’essaierai d’y  répondre dans la mesure de mes connaissances

L’acétone pour réduire la conso de carburant  c’est ça ? J’ai déjà entendu ou lu des choses à ce sujet mais je n’en sais pas plus…

1 février 2012   |   Répondre En fait, j’ai commencé à utiliser de l’acétone quand j’ai testé l’huile alimentaire de recyclage (huile à frites végétale, je suis belge

com comme me carbu carburant rant pour un micr micro-tra o-tracteur cteur diese diesell afin

d’améliorer la dispersion de cette huile.  Au 1e passage au contrôle technique de notre C4 HDI, j’ai été recalé pour opacité des fumées. J’avais 15 jours pour  représenter la voiture. Je la trouvais saumâtre. Pour moi, j’y  voyais un encrassement proche du blocage de la vanne EGR. Outre l’effet dispersif de l’acétone, celle-ci a des propriétés nettoyantes des circuits d’alimentation et d’évacuation des gaz.  Après avoir pris la mesure du risque, j’j’ai ai tenté l’expérience.  Après seulement 2 incorporations (de 50 ml, un verre à Whisky) dans le plein, non seulement elle a passé ce contrôle sans  problème mais le moteur tournait beaucoup mieux, il n’y avait   plus ces trous occasionnels à l’a l’accélération. ccélération. J’ai continué de l’utiliser tout en constatant accessoirement que la conso moyenne de carburant avait légèrement baissé. Comme le but  n’étaitt pas là, je n’ai pas approfond n’étai approfondi. i. J’ai ensuite appliqué le même régime à ma Saab 9000, même si les problèmes de vanne EGR est moins fréquent sur les moteurs à essence. Là, j’ai fait les tests de conso avant/après. Résultat: le moteur répond mieux et la conso a baissé de 8 à 10%. Après 2 ans/20.000 km pour la diesel, 2 ans/10.000 pour  l’essence, sans problème, je trouve le bilan positif. Après un arrêt du régime (oubli, paresse), l’effet positif est conservé mais diminue lentement. Le risque est très faible car la quantité est 

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minime minim e et je dilue l’acétone dans 3 litres litres de carbu carburant rant avant de faire le plein complet. La précision quant à la quantité d’acétone est peu importante mais il est  inutile inutil e de doubler doubler la dose et cela aurait pour effet de charger le filtre trop rapidement. Pour une voiture ancienne, il vaut mieux y aller progressivement et  changer chan ger le filtre (1x) sans trop attendr attendre. e. Il faut faire attenti attention on de ne pas touc toucher her la  peinture avec de l’acétone pur, elle pourrait s’altérer. Je change la C4 pour une Delta dans 2 mois et je compte lui appliquer ce régime pour augmenter la durée de vie de la vanne EGR, le gain de conso pour ces sobres moteurs étant minime. Ma question, dont une partie de la réponse se trouve déjà dans tes premiers articles sur le sujet, est la suivante: comment améliorer le couple Nm de ma Saab 9000 i16 sans turbo de 1994. Je préfère la reprise à la vitesse de pointe, inutile à l’heure des Multinova. Je pensais à un TuningKit réglé sur le couple mais je n’en trouve que pour les moteurs Turbo. De plus, ma Saab a un système de gestion moteur pré-OBD2. Y-a-t-il d’autres moyens d’augmenter le couple Nm sans faire  passer ma 9000 sur le billard pour une opération lourde? Encore 1000 mercis  pour les articles et la modération efficace.

1 février 2012   |   Répondre Je pense que l’acétone agit un peu comme un agent détergent. En fait ça fonctionne un peu comme les carburants Excellium et  autres (sans faire de pub). Ces carburants sont additivés de détergent, antimousse, et autres choses qui vont permettre de nettoyer un peu le moteur et les différents circuits. Quand Total ou autre dit « avec Excellium vous consommerez  moins », il faudrait plutôt comprendre « vous consommerez  moins qu’avant ». C’est assez utile pour les moteurs qui  commencent à être encrassés mais ne sont quasiment  d’aucune utilité pour un moteur neuf. C’est pour ça que, de temps en temps, un plein d’un carburant cher peut valoir le coup !  J’émettrais tout de même quelques réserves sur une utilisation trop intensive de l’acétone sur certaines pièces du moteur, je  pense notamment aux inj injecteurs. ecteurs. Je n’en ai pas la preuve mais ’aurais un peu peur que cela « attaque ». En ce qui concerne une augmentation de couple, les leviers d’action ne sont pas nombreux : - sur la ligne d’échappement : on peut virer le catalyseur pour  réduire la contre pression mais la planète et les êtres humains qui l’occupent ne te remercieront pas - sur la ligne d’échappement toujours : on peut changer le collecteur. Je ne sais pas ce qui est monté sur la Saab mais les collecteurs dits 3Y apportent plus de couple qu’un 4en1. - je ne connais pas la richesse de fonctionnement à pleine charge, char ge, mais en la passant au dessus de 1, on peut grapiller qq chose…

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- ensuite on peut jouer sur l’acoustique à l’admission. Souvent le moteur est calé avec deux pics d’acoustique : un vers la puissance max, un vers le couple max. On pourrait imaginer jouer sur les longueurs entre les soupapes et le « collecteur » d’admission et entre les soupapes et le filtre à air. Difficile cependant de se prononcer sur les gains possibles et la facilité de mettre en place tout ça… ! 

2 février 2012   |   Répondre J’ai lu ton mail avec beauc beaucoup oup d’attent d’attention. ion. Ce que tu dis à  propos de l’acétone est pertinent et je suis sûr que tu as raison, mais en partie seulement car cela ne correspond pas totalement avec mon expérience: j’ai essayé l’Excélium (car je soupçonnais, à tort, la présence d’eau) pendant 6 mois quand  les trous en charge (de la C4) ont commencé à se manifester, sans résultat. L’acétone a radicalement changé la donne et  confirme confi rme ce que tu dis et que je disais aussi d’ailleu d’ailleurs: rs: il faut  éviter de sur-doser, c’est inutile voire néfaste car à l’arrêt de son utilisation, son effet est prolongé, ce qui confirme son principal  effet: nettoyant. L’excès nuit en tout, pareil pour le nettoyage!  Tu as raison, c’est pas non plus à faire sur un moteur neuf. Pour la 2e expérience: ma Saab est peu kilométrée et peu encrassée pour son âge et sa conso a plutôt diminué  progressivement au fil du temps. Avec l’acétone, la conso a brusqueme brus quement nt chuté et quelqu quelque e soit le cas de figure figure,, elle consomme moins que ce qui est indiqué dans la doc officielle ou les tests d’époque, consos que je n’avais d’ailleurs jamais  pu reproduire auparavant. Petite précision: mon épouse qui se fiche complètement de l’aspect écologique et économique d’un carburant, utilise les 2 voitures, j’ai aussi testé sa conso à son insu. Comment expliquer qu’un moteur soit plus neuf après 18  ans qu’au moment de sa mise en service rien que par son nettoyage? Je pense qu’il y a tout de même autre chose. Je suis sans doute moins prudent que toi mais je pense qu’un circuit étudié pour faire passer de l’essence (surtout) est calculé avec une marge de sécurité suffisante pour que l’adjonction d’acétone à dose homéopathique (1/1000) ne le mette en difficulté, mais on est jamais trop prudent, à chacun d’y mettre sa limite. Pour ce qui est de l’augmentation du couple Nm, merci de t’être  penché sur la question, la Saab a déjà des collecteurs 3Y 3Y,, donc  rien à tirer de plus de ce côté. Tes autres pistes sont  intéressantes, il faudrait que je me renseigne sur leur faisabilité et leurs coûts par quelqu’un de qualifié. Je pourrais y mettre un turbo sans trop de difficultés mais ce n’est pas l’effet que je souha souhaite, ite, c’est à dire une plus large

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 plage d’utilisation, d’util isation, surtout étendue aux bas régimes, ce que le turbo ne peut  m’apporter. A+ sur le forum!