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Le moteur, le coeur de nos Ulm… Ses “secrets” décortiqués ou comment savoir si notre moteur est fiable !

Par • 18 déc, 2014 • Catégorie: Technique • Commentaires: 3 commentaires»

Il y a quelMoteurques temps, “Al” un lecteur de notre site “ULM Actualité”, nous a posé une question très pertinente à propos de l’article “La fiabilité de nos moteurs ULM“.

en tentant de lui répondre, je me suis rendu compte que le sujet demandait tout un article et qu’il était quasiment impossible de donner une réponse intelligente en quelques lignes sans une argumentation riche afin de démontrer les propos.

Avant tout, cet article est destiné aux curieux, à ceux qui se posent des questions de fiabilité, endurance et ou de mécanique. Aborder ce sujet est quelque peu soporifique, d’où la difficulté de pouvoir l’expliquer sans endormir le lecteur… Mais, la demande est là, la négliger pour ces considérations est regrettable pour eux. Il est donc évident d’y répondre !

Voici sa question (que vous pouvez trouver au bas de l’article dans la section “commentaires N° 17″):

-”Bonjour Daniel,

Les moteurs 2T présentent les avantages (et les limitations – de potentiel) que tu as bien développés dans tes articles. Ils ont aussi l’inconvénient d’une consommation spécifique plus élevée que celle des moteurs 4T. Cette situation contrarie l’avantage de légèreté du groupe moto propulseur. Mes questions : – Comment évolue la consommation en fonction du régime (sachant que le couple varie peu à partir de mi-régime) ? – Y aurait-il un intérêt (en dehors de l’avantage mécanique) à choisir un moteur 2T un peu surdimensionné, en l’utilisant à un régime modéré ? La question peut être posée autrement : sous l’angle de la consommation spécifique, un petit moteur poussé, fournissant sa puissance à haut régime est il préférable à un moteur moins pointu, de cylindrée plus importante ? Et dans cette hypothèse de limitation du régime max, faut-il choisir un carburateur plus petit, qui travaillera à pleine ouverture ? Un grand merci par avance pour tes réponses, Bien amicalement,

Al.

Cet article, sera un complément de “La fiabilité de nos moteurs Ulm” et des 3 articles “Le serrage moteur (part 1)“, (part 2) et (part 3).

En premier lieu, nous allons voir (en survol), les problèmes liés à la Thermodynamique (selon Wikipédia: La science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre.) passage obligé pour comprendre la suite. Puis, la complexité des vitesses de mouvement pour vous amener vers les couples et puissances et les limites empiriques des moteurs. Enfin les différences entre fonctionnement des moteurs terrestres et celui de nos moteurs volants (déjà vu dans les articles précédents, mais cette fois-ci beaucoup plus approfondi).

Tout au long de cet exposé, les réponses à la question de “Al” vont se démontrer…

Une petite précision avant de commencer, qui est le début de sa question: “Les moteurs à deux temps… …ont aussi l’inconvénient d’une consommation plus élevée que celle des moteurs à quatre temps…” Oui ! Mais à cylindrée égale ! A puissance égale, le moteur à deux temps est beaucoup moins gourmand ! En effet, il suffit de quelques 6 à 700 cm3 bicylindre en 2T pour atteindre la puissance d’un 1300 cm3 quadri cylindre en 4T.

A cet argument nul besoin d’opposer le fameux moteur Autrichien 2T qui lui est très gourmand pour des raisons déjà évoquées dans d’autres articles: “Pipe d’échappement en “Y”!” Rapport de compression calculé de 11,5 contre un réel de 5,75 ! Mais où est donc passé le reste des gaz ? (…) Ce qui n’enlève en rien à sa célèbre fiabilité. Le rapport de compression théorique est toujours plus élevé que le réel, les gaz n’arrivent jamais en totalité mais de là à en perdre la moitié en route… C’est peut être en cela qu’il est très fiable… …L’idée ici rejoint celle de Al ! Je dirais oui et non… Et voilà qui nous amène à la Thermodynamique.

 

Beau de RochasLA THERMODYNAMIQUE

Comme l’on a vu au dessus, la Thermodynamique est la science des grands systèmes en équilibre… nous allons tenter une approche vulgarisée et éviter les “méga formules” mathématique régissant cette science. Comme de coutume, les puristes nous pardonnent, il s’agit ici de donner une explication et non un cours magistral sur le problème de la thermodynamique.

C’est le 16 janvier 1862 que  Alphonse Eugène Beau dit Beau de Rochas publia un mémoire d’une cinquantaine de pages sur les cycles à 4 temps appelé “cycle de Beau de Rochas” ou cycle thermodynamique théorique.

Cycle beau de rochasVous avez sur ce graphique de gauche, le cycle thermodynamique à 4 temps. En abscisse le VOLUME (V) avec V1 qui est le PMH (Point Mort Haut) du piston et V2 qui est le PMB (Point Mort Bas) du piston. En ordonnée vous avez la PRESSION (P). Il faut suivre les lignes comme un dessin numéroté de nos magazines d’été de 0 à 5. “0” étant le point de départ du piston, le vecteur 0,1 représente l’Admission. On remarque que son volume augmente, mais pas la pression. Puis la courbe 1,2 de type supposé ”adiabatique” (Nous allons pour l’instant laisser de côté ce terme et viendrons plus tard sur son explication “supposé” qui aura à ce moment toute son importance), donc la courbe 1,2 qui est la Compression. On remarque que le volume revient en état de départ (V1), mais que cette fois-ci la pression va en augmentant pour se retrouver comprimé en 2. Le vecteur 2,3, représente l’Explosion avec une montée de la pression mais aucune modification de volume. La courbe 3,4 de type “adiabatique” représente la Détente (éjection du piston vers le PMB) donc on constate la perte de pression et l’augmentation de volume (gaz chauds).  En 4,5 ouverture de la soupape d’échappement avec perte de pression restante à l’échappement sans modification de volume. Enfin, le vecteur 5,0 qui est l’Echappement, pas de modification de pression, mais perte du volume de V2 à V1 (PMB –> PMH).

 

Adiabatique: En thermodynamique, une transformation est dite adiabatique (du grec adiabatos, « qui ne peut être traversé ») si elle est effectuée sans qu’aucun transfert thermique n’intervienne entre le système étudié et le milieu extérieur.

Beau de Rochas a déposé son étude en 1862 en tant que thermodynamicien il avait inventé le cycle à 4 temps, mais sans en avoir réalisé la conception physique. Le moteur à combustion commandé a été inventé en 1858 puis construit en 1860 par Etienne LENOIR (Autodidacte Belge naturalisé Français), mais il s’agissait du moteur à 2 temps utilisant un gaz de houille (l’essence n’existait pas encore).

Le cycle Beau de Rochas ne peut être considéré qu’avec un gaz parfait où l’admission et l’échappement seraient “instantanés” sans tenir compte des frictions, turbulences des mouvements des gaz et pertes en chaleur… Hors, lorsqu’ en 1876 l’Allemand Nicholaus OTTO utilisant le cycle BEAU DE ROCHAS, réalise le premier moteur à combustion interne à compression à 4 temps, il fit la “découverte” du manque de rendement en rapport avec le rendement optimum “sur papier” de Beau de Rochas.

L’exposé ci-dessus va permettre de comprendre la suite…

A quoi ressemblait le cycle de Beau de Rochas après qu’OTTO inventa le moteur à 4 temps ?

Cycle réelLe rendement n’était pas celui escompté ! Le remplissage du cylindre n’était obtenu que par grande course du piston. Les gaz frais étaient emprisonnés dans les conduits lors de la fermeture des soupapes et ce au fur et à mesure que la vitesse de rotation était importante. La compression n’est pas adiabatique du au transfert de la chaleur aux parois du cylindre, la montée en pression n’est pas aussi rapide que dans la loi adiabatique. L’explosion n’est pas instantanée, mais par couches successives. L’inertie des pièces en mouvement ne peuvent ouvrir et fermer les soupapes de manière instantanée…

Voilà pourquoi le cycle réel possède la forme de droite et est loin de ressembler au cycle parfait de Beau de Rochas !

OTTO est arrivé, moyennant quelques réglages à optimiser le rendement de son moteur:

  • 6° avant le PMH (ouverture de la soupape admission)
  • 9° après le PMH (fermeture de la soupape d’échappement, cycle précédent)
  • 40° après le PMB (fermeture de la soupape d’admission)
  • Compression, explosion, détente
  • 31° avant le PMB (ouverture de la soupape d’échappement)
  • 6° avant PMH (ouverture de la soupape d’admission du cycle suivant)
  • 9° après le PMH (fermeture de la soupape d’échappement)

Dessin ci-dessous, ces réglages sont appelés en mécanique: “Diagrammes

Cycle amelioré

Vous avez compris qu’à partir du moment où les vitesses de mouvement rectilignes ou de rotation se font grandes, les circulations des gaz et les mouvement des soupapes sont altérées par la vitesse. Le palliatif à ces phénomènes, sont les avances et les retards… Les “tops” sont avancés ou retardés de quelques degrés, selon que l’on a à faire à l’admission ou l’échappement, afin que les gaz et les soupapes aient le temps nécessaire de s’ouvrir et de circuler. Comme pour l’étincelle de la bougie, vous pouvez voir sur le dessin ci-dessus, elle a lieu quelques degrés avant le PMH, c’est ce que l’on appelle: “L’avance à l’allumage”

Donc nous l’avons vu, les motoristes pendant des décennies concevaient des moteurs à longue course, le remplissage des cylindres était bien meilleur qu’avec une petite course. Le calorstat pour les refroidissements liquide permet un maintien de la température aux alentours des 90°, condition indispensable pour un bon rendement du moteur… Autre problème, une fois solutionné celui des avances et des retards, ce sont les ouvertures simultanées des soupapes admission et échappement pendant 15° au PMH. Etat quasi négligeable aux bas régimes, mais problématique dans les hauts régimes faisant chuter le rendement, en plus de la flottaison de celles-ci. En effet, la soupape est “poussée” par le culbuteur ou la came (arbre à cames en tête), mais elle est ramené, lors de sa fermeture, par un ressort. Malgré la forte puissance de ce dernier, sur les hauts régimes les soupapes n’avaient pas terminé leur course de fermeture que déjà le culbuteur venait la repousser. Les soupapes “flottent” et elles détériorent les têtes de pistons, s’en suit l’écroulement du rendement.

Nous en avons terminé avec la thermodynamique, ce n’était qu’un survol ! On se réveille, on passe à présent sur le vif du sujet, le couple et la puissance. Mais pourquoi ne pas arriver directement sur ce sujet où beaucoup en font la confusion ? Parce que la manière dont est construit un moteur influe sur la thermodynamique. Comment expliquer cela sans savoir ce qu’est cette science ?

 

LE COUPLE ET LA PUISSANCE

grafic victor2Le couple d’un moteur est la force qu’il possède à faire tourner les roues. Pour que ce couple existe (qu’il soit perceptible), il faut une charge, le moteur doit être chargé. Le couple se mesure en Nm (Newton mètre) ou kgm (Kilogramme mètre) d’où le mot “couple” en sachant que 10 N équivaut approximativement à 1 kg.

Pourquoi cette notion de “mètre” ? Tout simplement parce qu’un moteur d’un couple de 25 kgm est capable de lever une charge de 25 kg fixée au bout d’une barre de 1 m de longueur fixée elle même par l’autre bout sur la poulie de vilebrequin. C’est un calcul théorique, vous n’allez pas fixer une barre sur votre moteur pour tenter l’expérience !

C’est ce que votre moteur est capable de fournir comme force, au delà, il cale. En mécanique, cela s’appelle un “moment”. On peut comparer cela aux goujons de serrage de roues de votre voiture. Si vous utilisez une clé de 10 cm de long, il va falloir augmenter votre couple afin de les desserrer. Par contre, si vous utilisez une clé de 50 cm, vous verrez que vous les débloquez  sans aucun problème… Cela augmente votre couple sans user de vos forces.

Revenons à la “charge”, mis à part le fait que “charger” veut dire ouvrir les gaz, pour une automobile, la charge est déjà la masse du véhicule, si en plus il est en montée, cette charge augmente. Donc il va falloir accélérer (ici “charger”) afin d’en augmenter le couple et ainsi surmonter la côte. Plus le véhicule va vite et plus il est freiné par l’air qui s’oppose à lui. La boîte de vitesses va nous aider à “trouver” du couple aux roues en toutes circonstances, c’est ce qui rend notre auto souple à conduire. Les boîtes sont bien entendu calculées selon les caractéristiques du moteur et de la masse du véhicule.

Les moteurs possèdent des couples différents selon leur caractéristique, vous avez des moteurs dits “coupleux” comme les Diesel, à contrario vous avez des moteurs qui manquent de couple où vous êtes constamment à la recherche des petits rapports parce qu’ils “broutent”, ils donnent l’impression de caler. Un diesel par exemple, vous pouvez en quatrième lâcher l’embrayage doucement et voir votre auto avancer sans caler. Ca c’est le couple ! D’ailleurs on s’en rend compte lorsqu’on cale en diesel… C’est un méchant coup de pied au c… ! L’effet du couple

La puissance d’un moteur est le produit entre le couple et le régime du moteur en tours par minute. -”Ma bagnole a 170 cv…!” Ca ne veut rien dire ! Un camion il en a 380 cv et plus, pourtant il se traine !

Ce que l’on peut dire, c’est qu’a puissance égale, on peut avoir un moteur à fort couple et peu de régime, ou peu de couple et fort régime. C’est identique pour la puissance, mais pas pour le comportement.courbes 123d

Ce que l’on peut voir sur les courbes de gauche, il s’agit d’un moteur Diesel, un couple de 180 Nm dès 1000 t/m et 400 Nm à 2000 t/m.

Les forts couples détériorent la mécanique, les “coup de fouets” répétés sur l’embiellage et le vilebrequin, tend à les tordre. Le moteur les encaissent, parce que le régime est amoindri. De plus, il y a des phénomènes de masses en rotation plus perceptibles lorsque les courses sont longues (manivelle de vilebrequin plus importante).

Il est rare de voir un Diesel monter au delà de 4000 t/m c’est habituellement son régime maxi. Pour prendre ces mesures au banc, l’automobile est “chargée”, les roues font tourner des rouleaux qui sont freinés. Lorsqu’il s’agit d’un banc de type “freiné”. On applique un frein correspondant à un “calcul de route” afin d’en simuler les trainées dues à la vitesse et les configurations du sol… Afin d’être au plus près de la réalité.

Lorsque la mesure de couple moteur est directement prise en sortie vilebrequin. Le moteur seul est sur le banc d’essais… Il s’agit d’un banc à volant inertiel. Dans ce cas on va mesurer l’accélération (le temps que va mettre notre moteur à lancer un volant lourd dont on en connaît toutes les caractéristiques), un logiciel va en déterminer le couple. Par la multiplication des régimes moteur et de ses couples correspondants, on en déduit la puissance.

Banc à rouleaux freinéLe couple aux roues peut être obtenu avec un moteur qui en possède peu… Grace à la boîte à vitesses. Lorsque vous partez en voiture, vous êtes obligés de partir en 1ère afin de partir aisément. Si vous tentez de partir en cinquième, vous allez caler ! Votre moteur n’a pas assez de couple pour ”décoller” votre auto avec ce rapport.

Si vous possédez une manivelle avec un déport (bras de levier) de 5 cm, elle ne vous suffira qu’a faire tourner une hélice de ventilo, qui n’a pas besoin de beaucoup de couple pour tourner. Par contre elle tournera vite ! Avec cette même manivelle, essayez à présent de débloquer un goujon de roue… Vous y arrivez ? Vous l’avez compris, il vous faut du bras de levier ! Donc une manivelle avec un déport 20 ou 30 cm vous donnera beaucoup plus de couple, par contre vos bras tourneront plus vite et le goujon quant à lui, tournera doucement. Plus vous augmentez le bras de levier, plus vous aurez de couple et moins vite tournera le goujon.

Si nous plaçons un appareil de mesure sur notre manivelle (ex. Clé dynamométrique) et que celle-ci desserre un écrous déjà débloqué, vous mesurez quelque chose ? Il évident que non, pour que le couple existe, il faut charger votre clé, il faut qu’il ai un effort à fournir et là votre dynamomètre va vous indiquer quelque chose ! C’est la raison pour laquelle, lorsque votre auto est lancée que le couple “s’écroule”. Il n’y a plus d’effort à fournir… Alors on monte d’un rapport et on vient chercher de nouveau l’effort.

Piston F1En Formule 1 les puissances sont atteintes en augmentant le régime (19000 t/m) produit du couple et du régime. Leurs moteurs possèdent peu de couple, la masse d’une monoplace étant aux alentours des 600 Kg avec un moteur de 7 à 800 cv, nul besoin d’avoir beaucoup de couple. D’ailleurs les courses sont extrêmement basses avec de petits pistons d’un grand diamètre (image de gauche), on est aux limites du possible avec ces mécaniques ! Les pistons ne font que vibrer tellement leur course est petite.

On constate aussi que dans les très hauts régimes, tout s’écroule. Cela est du au comportement des gaz, à ces vitesses, moins en moins de gaz frais arrivent à pénétrer le cylindre. La limite a été atteinte. Nous sommes en présence, comme le dit la loi sur la thermodynamique, d’un grand système en équilibre ! Si des pièces sont mécaniquement en mouvement, l’instantané est quasi impossible. Les soupapes se meuvent et elles ont une course à parcourir avant d’atteindre la pleine ouverture ou la pleine fermeture ! Ils leur faut du temps, que le piston ne leur laisse plus !

Pour nos moteur d’avion ou d’Ulm, la charge est l’hélice qui est montée dessus et son pas. Celle-ci est calculée selon les performances de notre moteur (couple/puissance) et la finesse de la cellule (cela fait partie d’un autre article) ce qui nous importe ici, c’est de savoir comment un moteur met en jeu ses performances pour en déterminer sa fiabilité.

Mais au fait, comment fait-on pour modifier ces paramètres ? et comment surpasser certaines limites ? C’est ici que ça devient intéressant si vous avez compris ce qui précède !

Nous avons trois types de moteurs en matière de géométrie:

  1. Course longue
  2. Carré
  3. Super carré

Course longue: L’Alésage (diamètre du cylindre ou du piston) plus petit que la course (distance entre le PMH et PMB)

Carré: L’Alésage égal à la course

Super carré: L’Alésage plus grand que la course

La “course longue” était la panacée des vieux moteurs, depuis le début jusqu’aux années 60 nos voitures possédaient des moteurs très coupleux tournant à des régimes très bas. C’est ce qui en faisaient des moteurs à très longue durée de vie. Nous ne possédions encore pas la maitrise d’aujourd’hui. En compétition on se bornait à augmenter la cylindrée pour créer la cavalerie, soit par augmentation du nombre des cylindres, soit par augmentation de leur volume.

Aujourd’hui, nos moteurs sont pratiquement tous des super carré ou carré. Même les moteurs diesel peuvent être du type super carré, seulement leur course reste plus longue des autres moteurs tout en étant plus petite que leur alésage.Couple et vitesse linéaire

Regardez bien l’animation à gauche. Nous avons deux pistons une course courte et une longue pour une même vitesse de rotation… Que remarquez-vous ?

La petite course possède une vitesse linéaire plus basse que la grande course ! En effet, le piston à grande course va plus vite que celui à petite course. C’est ici qu’on intègre l’essence même de la fiabilité ! ATTENTION ! Le mot “fiabilité” est encore mal choisi ! Vous souvenez-vous ce que c’est la fiabilité ? (Voir l’article sur ce sujet)

Aptitude d’un dispositif à accomplir une fonction requise dans des conditions données pour une période de temps donnée.

Même si un moteur ne dure que 3 heures et que celui-ci a été conçu pour la compétition pour des épreuves ne dépassant pas 1 à 2 heures, il est des plus fiables !!! C’est le cas de nos Formule 1 ! Qu’est ce la fonction requise de notre dispositif ? Faire tourner les roues ! Dans quelle condition ? La compétition ! Pour combien de temps ? Le temps d’une épreuve ! CQFD !!! Il est fiable ! Par contre, s’il casse pendant l’épreuve… Il ne l’est plus !

C’est la même chose pour nos Ulm ou moteur de nos auto. La période de temps donnée pour les Ulm, avions etc… c’est la TBO, pour nos auto c’est le seuil des 150 à 200.000 Km selon les moteurs… Ce qui change ce sont les conditions données.

Je ferme cette parenthèse très importante et revenons à la façon de concevoir un moteur ou tout du moins à comment l’ingénieur a su interagir pour donner de la fiabilité

On obtient plus de couple en donnant du levier au piston (grande course), mais au détriment du régime qui sera plus lent. Ou en augmentant la cylindrée pour une plus grande quantité de gaz. Inversement en donnant moins de levier on décélère la vitesse linéaire piston ce qui nous autorise un régime plus élevé. Le couple obtenu multiplié au régime plus élevé nous permet une grande puissance tout en préservant notre moteur. Il suffit de jouer sur ces paramètres afin d’obtenir le moteur désiré. Cela dépendra toujours du cahier des charges.

On sait par expérience (100 ans à fabriquer des moteurs) que pour la durée de vie raisonnable d’un moteur d’automobile, la vitesse moyenne linéaire d’un piston ne dois pas excéder approximativement les 25 m/s dans son plein régime.

Comment calcule t-on cette vitesse ? Nous n’allons pas calculer la vitesse à un moment donné, en effet celle-ci varie en bout de course ou en milieu de course. pour cela la formule tient compte d’une dizaine de paramètres comme l’angle du vilebrequin, position du piston etc. et que donc interviennent des sinus et autres opérateurs complexes. Nous nous bornerons ici à ne calculer que sa vitesse moyenne, beaucoup plus simple vous allez voir:

Nous allons calculer la vitesse linéaire piston de notre ROTAX 912 ul … Prenons sa fiche technique et penchons nous sur son alésage/course que dit-elle ?

Alésage 79,5 mm

Course 61,0 mm

Régime maxi 5800 t/m

Ha ! On remarque déjà que c’est un moteur de type “super carré” ! Voici la formule du calcul de vitesse Vpm=Cr*tm/30000 ou Vitesse piston moyenne = Course (en mm) X Régime maxi (en tours/min) sur 30000 (constante parce qu’on a des courses en mm, des tours/min et un résultat en mètres secondes)

Vpm=61*5800/30000=11,79 m/s (mais c’est bon ça !!!)

En fait lorsque le vilebrequin fait un tour, le piston fait un aller plus un retour donc deux fois le chemin. Si l’on prend deux fois la course 122 mm, en mètres cela fait 0,122 m 5800 t/m transformés en tours/secondes cela fait 5800/60=96,666 tours/secondes 0,122*96,666=11,79 m/s

Nous sommes assez loin des 25 m/s d’une auto ! ROTAX a bien fiabilisé son moteur, mais pourquoi aussi loin de l’auto ?

C’est ici qu’intervient la notion de différence AUTO –> AVION Vous êtes toujours là ?

Connaissez-vous la vitesse moyenne d’un véhicule automobile ? En ville 30 km/h et sur route 70 km/h. Cela représente grosso modo 15 % de la puissance max en ville et 30 à 40 % sur route. Avec une vitesse linéaire piston de 25 m/s à régime max, nul besoin de s’appeler DESCARTES pour comprendre cette fiabilité de nos moteurs automobiles et de s’apercevoir que les 25 m/s ne seront que très rarement atteints !  Les constructeurs ont conçu leurs moteurs en rapport à l’utilisation qui en est faite. Ce qui les fait durer plus de 200.000 Km

Pour un avion l’utilisation 100 % du régime est utilisé lors du décollage 3 à 5 minutes, puis passage de 70 à 80 % de la puissance max pour le palier et cela pour de longues durées. La décélération est pour la phase de descente en affichant 20 à 30 % du régime ou 0 % pour les Ulm mais de courte durée. On peut considérer leur utilisation moyenne à 85 ou 90 % de la puissance max.Votre moteur “avionné” à 25 m/s de vitesse linéaire piston à ce régime, va avoir une TBO de 4 à 500 heures ce qui serait inacceptable pour un avion club. Le ROTAX 912 avec une Vpm de 11,8 m/s à régime max aura lui une TBO de 1500 h. Tous les moteurs ne sont pas avionnables, seuls certains s’y prêtent en rapport à leur géométrie, leur puissance massique (puissance/poids moteur) etc…

Pour un moteur aéro, la Vpm (Vitesse piston moyenne) ne devrait pas dépasser 13 à 15 m/s, 13 c’est bien mieux que 15, pour ne pas voir votre TBO s’écrouler à peau de chagrin…

On a vu nombre d’”avionneurs moteurs” se casser les dents sur des moulins auto hyper fiables, pour se rendre compte plus tard qu’il fallait reprendre tout le bas moteur (vilebrequin, bielles) afin de réduire la vitesse linéaire des pistons pour gagner en TBO.

Vilebrequin Moteur Formule 1Pour revenir aux moteurs pointus, leur fiabilité est calculée pour l’utilisation que l’on attend de ce moteur. En Formule 1 les courses très petites, l’alimentation “forcée”, je ne parle pas de suralimentation, mais de l’immense prise d’air au dessus du pilote qui force l’air à pénétrer au mélange dans les cylindres, le nombre de cylindres, une Vpm avoisinant les 40 m/s font que la durée est très limitée, la fiabilité recherchée est celle d’une épreuve.

En matière de course des moteurs super carré, il y a aussi une limite empirique à ne pas dépasser lorsque le rapport alésage/course atteint les 2,25, des problèmes apparaissent… Le rendement s’écroule.

Les gaz, eux sont encore plus “lents” dans leur mouvement, ils n’ont aucune “liaison” mécanique (comme les soupapes) pour qu’ils activent leur mouvement. Seul les vides laissés par le piston qui aspire, attirent les gaz frais dans la chambre. Dans les hauts régimes il apparaît des “turbulences” difficilement maitrisables, courbure des conduits, polissage des aspérités (surtout en 2 temps), formes complexes des chambres de compression etc… sont des “solutions” à ces problèmes.

Avec plus de 19.000 t/m en F1 les soupapes seraient figées ! RENAULT dans les années 70 avait mis au point les soupapes électropneumatiques. La fermeture de Système Desmodromiquecelles-ci étant assuré par de l’air comprimé à plusieurs dizaines de bars et non plus par ressort, rendu inutile à ces régimes. D’autres moteurs dans d’autres disciplines ont adopté le système de soupapes Desmodromique. Inventé par Claude BONJOUR en 1893, des tentatives d’adoption au système Desmo fait en 1910, abandonné et repris par la marque DUCATI qui équipe toutes ses motos aujourd’hui. Le principe, la came pousse la soupape, une fourchette la relève. Soupape DesmoSimple non ? Came et fourchette bien entendu reliés aux arbres de mouvement, le tout sincro il va de soi !

 

EN CONCLUSION

Utiliser un moteur en sous charge en rapport à sa cylindrée pour gagner en fiabilité est néfaste, on aurait du mal “à trouver le couple”, cela dégrade son rendement et accélère le glaçage des cylindres et donc diminue sa lubrification. Il s’en suit un serrage à plus ou moins brève échéance. Le rapport volumétrique doit lui aussi respecter des règles pour le meilleur rendement. Les différences de consommations à moteur identique (même architecture, même cylindrée), ne dépendent que des “peaufinages” de construction. La consommation elle, varie selon la cylindrée, le nombre des cylindres, la géométrie du moteur. Toujours garder à l’esprit ce que vous attendez d’un moteur, consommation moindre ? Fortes puissances ? Fort couple ? Durée de vie ? Il y aura toujours un bon moteur derrière son cahier des charges.

Vous avez à présent “les ficelles” pour tirer le meilleur parti des fiches techniques de vos moteurs. Elles, elles ne mentent pas ! Si nombreux en usent et en abusent afin de vanter l’excellence de leur produit, vous n’en êtes pas dupes et pourrez dores et déjà entrevoir la vraisemblance de leurs discours en matière de TBO.

Bons vols à tous

Daniel

Crédits: Wikipédia, BancMoteur.com, Rotronics, Renault F1, un grand merci à Philippe BOURSIN & Philippe DEJEAN

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3 commentaires »

  1. Bonjour Daniel,

    Merci pour l’excellent article ci-dessus, (pas du tout ennuyeux à mon avis), qui a aussi l’intérêt
    de rappeler les difficultés et les limites de “l’avionnage” de moteurs terrestres. Je m’interroge
    cependant sur la consommation spécifique des 2 temps (g/hp/h), qui me semble plus élevée
    que la consommation des 4 temps, (à corréler bien sur avec la masse, pour un bilan complet).
    Au plaisir de te lire,
    Al.

  2. Bonjour Al,

    Merci pour les compliments, en effet, c’est bien compliqué de “parler” de mécanique sans endormir… Je connais pas mal de pilotes qui s’attardent peu dès qu’il s’agit d’”écouter” un débat sur les fondements d’un moteur ! Ce qui ne leur enlève aucunement qu’ils sont de très bons pilotes.
    Comme le dit l’article, il s’adresse qu’à ceux qui aiment et qui peuvent et ou qu’ils en ont l’envie de débattre sur le sujet.

    Ceci dit, tu ouvre le débat 2 T et 4 T… et j’en suis honoré et content.

    Pourquoi je dis qu’un 2 T est moins gourmand qu’un 4 T ? Et écarte d’emblée du débat le ROTAX 582 (tout le monde à compris que je parlais de ce moteur dans l’article). Tout simplement parce que sa consommation sort du cadre de tout ce que la physique mécanique “autorise” dans ce domaine: Il est plus que gourmand ! Il consomme “un bras” ! Donc ne pas tenir compte de la consommation d’un moteur de même type, même architecture, pour dire qu’un 2 T consomme plus qu’un 4 T. C’est le cas pour ce type de moteur, c’est tout !

    Si nous prenons deux moteurs (un 2 temps et un 4 temps) de même cylindrée, théoriquement le 2 temps est 2 fois plus puissant qu’un 4 temps ! Je dis “théoriquement”, sur le papier, parce que le rendement fait qu’en fait il ne l’est que de 1,5 à 1,7 plus puissant (Gaz frais et chauds mélangés, frottements, rapport volumétrique etc…).
    La raison en est simple, une explosion par tour de vilebrequin pour le 2 temps, contre une explosion tous les deux tours pour le 4 temps !

    Hors qu’est ce la PUISSANCE ? C’est la quantité de travail (Energie) fournie par unité de temps (1 Watt = 1 joule/seconde – 1 cheval vapeur = 736 W ou 0,736 KW). Si Le moteur à 2 temps est 1,5 fois plus puissant qu’un moteur à 4 temps, c’est que ce premier donne 1,5 fois plus de travail que ce dernier à cylindrée égale, mais il consomme 2 fois plus !

    Donc, à puissance égale (cylindrée 2 fois plus petite), nous pourrions dire que le moteur à 2 temps consomme autant que le moteur à 4 temps. Ca c’est sur le papier ! Mais il ne faut pas oublier qu’un moteur à 2 temps possède un rendement largement bien supérieur que son opposé le 4 temps (pas de soupapes, pas d’arbre à cames etc…)
    Si nous ne “profitons” pas de ce meilleur rendement pour améliorer le rapport volumétrique (ce qui n’est pas compliqué sur un 2 temps), on peut en effet le “rendre” gourmand ! Mais lorsque le rapport est optimum et les exemples sont nombreux pour ce type de moteur, on obtient en effet une consommation bien en deçà de ce que l’on pourrait s’attendre.

    Allez, je donne du concret : En matière de bicylindre 2 temps, le pot de détente unique est une aberration si l’on veut préserver tout son rendement… Les pots devraient être indépendants ! En Kart 250 cm3 il y a deux moteurs complétement indépendants entrainant un même arbre. SIMONINI (pour ne pas le nommer, j’en parle assez souvent, je n’y ai aucun intérêt financier, mais il se trouve que c’est le moteur qui respecte la règle du 2 temps et c’est celui que je possède…) consomme 9 à 11 litres/heure vérifiés avec une puissance de 90 cv parce qu’il possède 2 pots ACCORDES, un par cylindre améliorant considérablement son rendement grâce à son très bon rapport volumétrique ! Sa faiblesse, ce qui n’est pas un manque de fiabilité puisque son constructeur annonce une TBO plus basse que le ROTAX, vient de sa vitesse linéaire moyenne du piston à régime max de 14,88 m/s contre 13,86 pour le ROTAX.

    Voilà, j’évite de m’éterniser… c’est un débat de passionnés !

    A bientôt Al et merci pour tes questions, il est entendu que tu peux toi aussi apporter tes réflexions et donner du “grain à moudre” !

    Daniel

  3. Bonjour, Daniel
    Félicitations pour cet excellent article très digeste qui vous a sûrement demandé beaucoup de travail et qui atteste donc de votre souhait de partager vos connaissances.
    Merci de cela.
    Puis-je me permettre une remarque ( non critique, car elle ne modifie en rien ce que dit l’article ) à savoir :
    Je considère qu’on utilise à tort la notion d’aspiration. Depuis quelques années, enfin, on ne dit plus que l’aile d’avion est aspirée vers le haut mais on parle correctement de différence de pression entre l’intrados et l’extrados. Il en va de même dans un tuyau : l’air n’y est pas aspiré, il y est poussé par la pression atmosphérique lorsque un volume grandit à l’autre bout et qu’il y a donc plus de place pour contenir du fluide. Et cela est valable même pour un aspirateur domestique où la turbine chasse l’air à l’extérieur du corps de l’appareil, augmentant ainsi artificiellement le “volume disponible en permanence” ou pour la respiration vitale où le diaphragme s’abaisse pour augmenter le volume thoracique. Si j’ai pu vous convaincre, ce sera une personne de plus et cette fallacieuse notion d’aspiration finira peu-être par disparaitre du langage technique…sinon des publications d’appareils ménagers !
    Mais cela n’enlève rien à la clarté de votre exposé car expliquer clairement la thermodynamique en quelques ligne est loin d’être évident.
    Très cordialement.
    gilbert38, projeteur dessinateur en mécanique

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