Après avoir évoqué la semaine dernière la différence entre le couple 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 quelques moyens dont on dispose pour optimiser les performances d’un moteur.

Comment un moteur produit-il du couple ?

Par l’intermédiaire du fameux système bielle-manivelle : lors de la combustion, l’énergie libérée pousse le piston, qui pousse la bielle, qui fait tourner le vilebrequin ici en rouge.

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) 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.

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 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 précédent (couple de 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 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. Cette vitesse est limitée par les matériaux utilisés et 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 les régimes de rotation extrême tout en garantissant la durabilité nécessaire à plusieurs courses.

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 dans la 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 faire du couple, il faut admettre de l’air.

Pour cela, plusieurs solutions complémentaires 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 d’admettre une grosse quantité d’air quel que soit le 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, ), la suralimentation permet de « gaver » le moteur. Un moteur suralimenté admettra, à un régime moteur donné, une masse d’air plus importante qu’il le ferait naturellement.
    Le turbocompresseur est la solution de suralimentation 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.
    • La distribution
    La distribution est la partie qui correspond à l’étude des lois de levées des soupapes d’admission et d’échappement. Comme vous pouvez vous en douter, cette science est très importante puisque c’est elle qui va régir l’arrivée des gaz frais (et éventuellement du carburant) et l’évacuation des gaz brûlés. Cela peut paraître simple mais ça ne l’est pas : en effet, le moteur à combustion interne accueille de nombreux phénomènes physiques qui vont différer en 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 pour l’instant).
    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 serait donc intéressant de décaler 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 profiter de l’inertie de l’air dans le circuit 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 !
    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, par ses actions mécaniques (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 profite de ces ondes pour faciliter la vidange du moteur et améliorer au maximum son remplissage en air. En jouant 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 à 2000tr/min, elle 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 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 vite. Pour les hauts régimes, c’est l’inverse, le tube d’admission est plus court pour que l’onde fasse son aller/retour 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 une perte de charge), le cliquetis (combustion anormale pour les moteurs essence), les émissions de fumée pour les moteurs Diesel, la résistance des 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.