Mécanique #2 : Architecture des moteurs à explosion

Voici la deuxième partie de la série « Notions sur les moteurs à explosion » commencée plus tôt.

Ici, nous allons rentrer dans les détails des architectures des moteurs, notamment celles que l’on retrouve aujourd’hui sur nos scooters et motos. C’est un sujet vaste, à l’image de la diversité du marché du deux-roues.

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Tout l’objet de cet article va être de décrypter et comprendre les fiches moteur, telles que celle-ci, qui concerne l’ER-6n :

Fiche moteur ER6N

1- Les caractéristiques basiques moteur : Cylindrée, Couple et Puissance

1-1- La cylindrée du moteur : la taille du moteur

La cylindrée est la donnée fondamentale qui caractérise un moteur : c’est sa taille. C’est un peu comme choisir un tee-shirt : il y a des modèles S, M, L, XL…

On a choisi le volume des cylindres pour définir la taille du moteur (d’où le terme de cylindrée) ; ce volume s’exprimant en cm³.

Le volume total se calcule quand le piston est au plus bas dans le cylindre, donc quand son volume est maximal. La formule mathématique pour calculer le volume d’un cylindre est la suivante :volume cylindre

volume_cylindre

Si l’on traduit en termes mécaniques, le rayon va correspondre à la moitié de l’alésage, l’alésage étant tout simplement le diamètre du cylindre, et la hauteur va être la course du piston.

cylindrée

La formule pour calculer le volume d’un cylindre de moteur devient donc :

calcul cylindrée

Puisque la cylindrée totale du moteur doit prendre en compte l’ensemble des cylindres qui composent le moteur, la formule finale de calcul de la cylindrée moteur est :

calcul cylindrée totale

On peut « s’amuser » à faire le calcul pour la Kawasaki ER-6n, dont la fiche moteur apparait plus haut. Le moteur de l’ER-6n possède 2 cylindres dont l’alésage vaut 8,3 cm et la course 6 cm.

 cylindrée ER6N

Ouf, la Kawasaki ER-6n est bien une « 650 cm³ » ;)

A noter : on comprend maintenant pourquoi les valeurs réelles des cylindrées moteur ne tombent jamais justes (649cm³ pour 650, 806 pour 800, 123 pour 125…) : c’est parce que dans la formule de calcul, il y a le nombre π (3.14159…).

1-2- Le couple du moteur : la force du moteur

Le couple est assez simple à comprendre (ce qui n’est pas forcément le cas de la puissance, que l’on détaille au paragraphe suivant).

Le couple moteur est la force exercée par le ou les piston(s) sur le vilebrequin, il se mesure en Newton par mètre (N.m). Un moteur à fort couple sur sa plage d’utilisation donnera une réponse très vive aux sollicitations du pilote : sensations garanties.

Le couple agit sur les reprises de son véhicule, la capacité à grimper des côtes avec un véhicule chargé, à faire des démarrages en trombe…

Quelques facteurs influençant le couple moteur :

  • La cylindrée ; des pistons plus gros poussent plus fort
  • Le nombre de cylindres ; ceci afin de répartir les temps moteurs
  • La qualité du mélange air-carburant ; par exemple, un turbo augmente le couple moteur.

Le couple varie constamment selon la vitesse de rotation du moteur, il s’exprime d’ailleurs en terme de Couple Max (ex : 64 N.m à 7000 tr/min) . Des essais sur banc-tests permettent de déterminer les régimes de rotation où le moteur « pousse » le plus fort :

courbe couple

Le moteur idéal a une courbe de couple la plus linéaire possible : sa réponse aux sollicitations de son pilote sur la manette des gaz sera constante et apportera beaucoup de confort et de fluidité.

Qui a le meilleur couple ?

Parmi les moteurs à explosion, à cylindrée et technologie constante, les Diesel sortent vainqueurs de la compétition. Viennent ensuite les moteurs Essence 4-temps, puis les Essence 2-temps.

Les champions toute catégorie sont les moteurs électriques : leurs valeurs de couples sont tellement fortes et dès le démarrage qu’on n’utilise même plus de « boite de vitesse » pour mouvoir des cages d’ascenseur : le câble de traction est enroulé directement sur l’axe moteur !

1-3- La puissance du moteur : la tonicité du moteur

J’entends par tonicité la capacité du moteur à débiter sa force maximale en un minimum de temps.

La puissance est un débit d’énergie : c’est le résultat d’un calcul mathématique, ce n’est pas quelque chose d’aussi concret que le couple moteur, qui est une force directement mesurable.

La formule mathématique est simple :

formule puissance

Comme indiqué, l’unité officielle de la puissance est le Watt. Pour des raisons historiques, on utilise encore le Cheval-Vapeur (CV, ou HP ‘horse-power’). Un CV vaut environ 736 W.

Ainsi, on augmente la puissance d’un moteur soit :

  • en augmentant son couple (par une augmentation de la cylindrée par exemple, ou par une amélioration de l’injection)
  • en autorisant une zone rouge de régime moteur plus élevée (en renforçant ou en allégeant les éléments mécaniques) (*)
(*) Et voilà comment on bride facilement un moteur : on le « castre » dans sa montée en régime. Ainsi on limite les moteurs selon les normes en vigueur : 34 Cv, 106 CV…

Comme la puissance dépend des variations à la fois du couple moteur et de la vitesse de rotation, elle varie et pour chaque moteur on obtient une courbe de puissance telle que celle-ci :

courbe puissance

C’est bien la valeur maximale atteinte par la courbe qui est communiquée ! Exemple ci-dessous avec la fiche technique de la Kawasaki Z800  :

perf 2800

La valeur 106 CV n’est valable que lorsque le moteur tourne à 10’000 tours/minute, soit bien haut dans le compte-tour et proche du rupteur de zone rouge !!

Idem pour le couple plutôt généreux de 80,5 N.m : il n’est atteint qu’à 8000 tours/minute : avant ce régime, il est plus faible, après, il s’effondre.

Ne rêvons pas : tout cela est commercial ! C’est pour cela qu’il faut bien savoir lire les fiches moteurs et prendre du recul par rapport aux informations brutes de décoffrage affichées « pour faire beau ».

Un couple moteur généreux mais trop haut placé dans le compte-tour ne sera pas exploitable (il faudrait toujours être proche de la zone rouge).

Un moteur au couple max inférieur mais placé plus bas dans les tours sera beaucoup plus agréable et facile à mener au quotidien : c’est donc essentiel de connaître où se situe la zone de puissance de son moteur et ainsi ajuster au mieux sa façon de conduire.

Voyons maintenant comment sont créés ce couple et cette puissance.

2- Les architectures moteur

L’architecture d’un moteur est la façon dont le constructeur a conçu son moteur, et ceci dans le but d’avoir la meilleure équation prix/puissance/positionnement marketing.

L’énorme avantage des motards est de pouvoir choisir très finement l’architecture moteur de sa moto. Ce n’est pas le cas pour les automobilistes, 90% des voitures étant des moteurs d’un seul et même type : le 4 cylindres en ligne.

2-1 Les monocylindres : les valeureux

En principe, on a tous commencé sur une machine équipée d’un monocylindre, le moteur à un seul cylindre. La mobylette, le scooter, la petite moto cross, les mono-cylindres sont très nombreux. Leur fiabilité est exemplaire, ils consomment peu, ils sont faciles à piloter.

L'architecture mono-cylindre, basique et fiable
Schéma d’un mono-cylindre, le moteur basique

Les moteurs à 1 seul cylindre se révèlent simples, léger et peu coûteux à fabriquer : on les trouve partout et dans le monde entier !

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Les monocylindres sont compacts et légers

Exemples de moto mono-cylindres :

Duke 125
Duke 125
Yamaha XT 660
Yamaha XT 660

La Yamaha XT 660 est étonnante : 660 cm3 de cylindrée sur 1 seul gros piston (alésage : 10 cm !!) pour 43 CV.

 Avantages des monocylindres :

- faciles à conduire

- fiables

- compacts

 Inconvénients  :

- limités en puissance : 1 seul piston fait « tout le boulot », en outre, souvenez-vous du cycle Beau de Rochas, sur 4 temps il n’y en a qu’un seul de moteur (l’explosion) ce qui n’arrange rien !

- limités en endurance : généralement on dit qu’ « on ne doit pas faire d’autoroute » avec un monocylindre (je n’ai pas bien compris pourquoi, honnêtement. Certainement parce que toute la puissance débitée est concentrée sur 1 seul piston, qui chauffe)

- vibrent et secouent si l’équilibrage n’est pas soigné (ceci dit, c’est valable pour tous les types de moteurs)

2-2 Les bicylindres : les virils

Le bicylindre, soit 2 cylindres, est l’accouplement de deux moteurs monocylindres. Le travail que fournit le moteur est partagé sur les deux pistons, et ça change tout ! Comme il n’y a qu’un seul temps moteur sur les 4 temps du cycle, avoir deux cylindres permet de les alterner, et ainsi développer (beaucoup) plus de couple et de puissance.

Les bicylindres sont aussi appelé « twin » (les jumeaux).

Un schéma d'une architecture possible d'un "twin"
Un schéma d’une architecture possible d’un « twin »

Ces deux cylindres peuvent être organisés deux manières différentes :

  • En ligne : le plus simple, comme sur l’ER-6n
  • En V : avec un angle d’ouverture variable selon les constructeurs
  • En L : ouverture de 90°, comme sur les Ducati
  • A plat : ouverture de 180°, ce sont les fameux « boxers » ou « flat twins »
Exemples d’architectures bicylindres : (a) En ligne (l’un derrière l’autre), (b) en L, à 90° et (c) en V
Le célèbre flat-twin BMW, avec son ouverture à 180°
Superbe twin à 90° de Moto Guzzi
Superbe twin à 90° de Moto Guzzi

 

Le bicylindre est très répandu dans le mode de la moto, sous toutes ses formes. Ce sera l’objet d’un article à part entière ! Mais, avant cela, il nous faut répondre à une question importante :

Pourquoi deux bicylindres d’architectures similaires ont-ils des comportements et des sonorités radicalement différentes ? 

Une ER-6n n’est pas comparable avec une Harley, ni avec une Ducati, ni avec une Bonneville et encore moins avec un TMAX ? Pourtant toute ces machines sont animées par des bicylindres ! :?

La raison est le calage moteur différent (d’autres paramètres entrent en jeu, mais celui-là est le principal).

Le calage est la façon dont on organise les pistons sur le vilebrequin : soit on les met tous du même côté (calage à 360°, comme sur le TMAX), soit diamétralement opposés (calage à 180°, comme sur l’ER-6n), soit décalés de 3/4 de tour (calage à 270°, comme sur les Harley-Davidson).

Différents types de calage du vilebrequin

Cette façon d’organiser le vilebrequin permet de jouer sur la répartition des temps moteur  et de modifier drastiquement le comportement et le « feeling » du moteur, et, accessoirement, sa sonorité.

Ecoutez la sonorité du TMAX (twin en ligne, calage 360°). C’est plutôt doux !

Ecoutez maintenant la sonorité de l’ER-6n (twin en ligne également, mais calé à 180°). Nettement plus saccadé !

Et une Harley-Davidson Iron 883 (twin en V, calage 270°)

Chaque façon d’organiser les cylindres dans le moteur (en ligne, en V…) et de choisir un calage du vilebrequin donne véritablement une palette infinie de moteurs ! Il y en a pour tous les goûts :)

 Avantages des bicylindres :

- hyper coupleux dès les bas-régimes

- moteur encore assez léger et compact, qui consomme peu

- en jouant sur le calage et l’architecture, on obtient une variété de comportements et sonorités inégalée !

 Inconvénients :

- une certaine brutalité, due à une répartition forcément irrégulière des temps moteurs à mesure que le vilebrequin tourne

- vibrent beaucoup (pour certains constructeurs, comme Harley-Davidson, la vibration, la « belle vibration » est très recherchée, c’est donc un avantage !)

- encore un peu limités en terme de puissance

 2-3 Les trois-cylindres : les doués

Et hop, on rajoute un cylindre à notre bicylindre. C’est une architecture peu répandue, mais qui rencontre beaucoup d’adeptes. L’ajout d’un cylindre permet de répartir encore un peu mieux les temps moteurs et ainsi gagner en souplesse et en puissance. On gomme donc progressivement le plus gros défaut du bicylindre : la brutalité.

trois cyl
Avec 3 cylindres, le moteur commence à grossir !
La Daytona 675, en 2005, a surpris avec son 3-cylindres !

La douceur de comportement et de sonorité sur ces moteurs à trois cylindres vient du calage à 120° : les 3 pistons sont équitablement répartis, assurant un bon équilibre global.

calage 120

Je n’ai jamais essayé de moto équipée d’un moteur à trois cylindres. Cependant, d’après ce que je peux en lire et en entendre ici ou là :

Avantages des trois-cylindres :

- puissants et coupleux à la fois

- sonorité rauque, particulière

- juste répartition des temps moteurs apportant de la souplesse

 Inconvénients :

- peu répandue, cette architecture est chère

- pas vraiment un twin, pas vraiment un quatre-cylindre…

 2-4 Les quatre-cylindres : les athlètes

Voici l’architecture reine des moteurs à explosion, dominant de façon écrasante le monde automobile et des motos.

Et de 4 !
Et de 4 !
Vue 3D d'un ensemble vilebrequin et pistons d'un moteur 4 cylindres
Vue 3D d’un ensemble vilebrequin et pistons d’un moteur 4 cylindres

L’architecture peut être faite de deux manières :

  • En ligne, ultra-majoritaire : simple et efficace (Ex : Honda CBF 600)
  • En V (le V4) : accouplement de deux V2 (Ex : Yamaha VMAX)

Avoir quatre cylindres, dans un moteur qui fonctionne avec les 4 temps du cycle Beau de Rochas est un gros avantage : on peut répartir chaque explosion des cylindres afin qu’il y ait toujours un temps moteur par demi-tour de vilebrequin. 

Généralement, l’ordre d’allumage des cylindres qui permet le meilleur équilibre est : 1, 3, 4, 2, assurant la douceur de fonctionnement caractéristique de ce moteur.

Dans le monde de la moto, on trouve des 4-cylindres débutants avec une cylindrée de 600 cm³, soit 150 cm³ par cylindre, pour environ 80 CV. C’est la cas de la Honda CBF 600 :

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A l’autre extrémité, l’impressionnante Yamaha VMAX avec son moteur V4 de 1800 cm³ développant 210 CV …

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Avantages des Quatre-cylindres :

- puissants et très endurants

- sonorité régulière, généralement agréable

- souples, les temps-moteurs étant bien répartis

 Inconvénients :

- le couple et la puissance s’expriment assez haut dans les tours, au détriment des bas régimes (c’est un peu l’inverse des bicylindres). On dit des petits 4-cylindres qu’ils sont « mous » ou « creux » à bas-moyens régimes.

- architecture trop proche du monde automobile pour les 4-cylindres en ligne ?

- moteurs volumineux et lourds

 2-5 Au-delà de 4 cylindres : l’exclusivité

On a vu des motos à 5 cylindres, mais elles sont restées rares… Par exemple, il y a la Honda RC211V :

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A n’en pas douter, le potentiel de ces moteurs est impressionnant… mais tout est question de compromis, rajouter des cylindres fait prendre du volume, du poids et augmente la consommation du moteur !

Les 6-cylindres sont un moins rares. On en trouve sur l’imposante Honda Goldwin :

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Le moteur de la Goldwin est une pièce d’art, véritablement : un moteur type Boxer, à plat. Il a une cylindrée de 1832 cm³, un couple énorme de 167 N.m (soit 2,6x l’ER-6n).  

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Mais, peut-être, voici la moto actuellement disponible la plus impressionnante : la BMW K1600GT…

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Notez les 6 sorties d’échappement…

 

La K1600 est animée par un impressionnant moteur de 1600 cm3, 6 cylindres en ligne, qui offre à la moto des performances hallucinantes :

2011-bmw-k1600gtl-motorcycle-engineLes 6 cylindres sont une sorte d’idéal, un aboutissement, une quête à atteindre pour le motard aisé. Inutile d’en dire plus, ces moteurs apportent à la fois puissance, couple, souplesse, sonorité superbe, équilibrage naturel donc très peu de vibration… c’est parfait pour conclure cet article sur les moteurs à explosion !

CONCLUSION

Dans ce chapitre, on a vu que la Puissance, le Couple étaient liés et permettaient de quantifier les performances des moteurs, et aussi de les comparer entre eux.

Le Couple est une force mesurable (unité : N.m), la Puissance est un calcul qui met en relation la vitesse de rotation et de la valeur du couple associé à cette vitesse (Unité : W).

On a vu qu’on pouvait à la fois multiplier (presque) à l’infini le nombre de cylindres dans un moteur, et en plus modifier la façon dont construisait le vilebrequin pour que chaque piston soit synchronisé d’une manière particulière avec ses voisins ; c’est le calage du moteur.

Bref, du mono au six cylindres, les architectures moteurs sont riches et n’ont certainement pas fini de nous surprendre, et c’est tant mieux !!! :) En sera-il de même quand les motos électriques arriveront massivement sur le marché ? A suivre…

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