performance à 4 temps

Transcription

PERFORMANCE
À 4 TEMPS v3.1
Marc Julien
PERFORMANCE
À 4 TEMPS
troisième édition
Marc Julien
Des copies papiers peuvent être disponibles du manuel version 1,
informez-vous!
Performance à 4 temps
1
© Marc Julien 2009, 2012
ISBN : 978-2-9811161-2-9
Édition numérique
Édition : 3
Date : 31 décembre 2012
CONFIGTECH
MONTREAL, CANADA
[email protected]
La distribution de ce manuel est gratuite, mais vous êtes invité à faire une contribution
(exemple $2) par paypal à l’adresse précédente si vous le souhaité. Aucune obligation.
Bien que beaucoup d’efforts furent pris pour que l’information contenue dans ce livre soit la plus juste possible, aucune
responsabilité peut être acceptée par l’auteur, la maison d’édition, l’imprimeur pour les pertes, ou la distribution électronique,
dommages et blessures qui pourraient résulter, causé par les erreurs ou omissions d’information.
Il est important de respecter les lois et règlements. L’information contenue dans ce manuel est pour usage sur circuit. C’est au
lecteur de s’assurer que les modifications apportées respectent les lois et règlements.
Photos de la couverture :
En haut, voiture de l’auteur, photo par Serge Lacroix
Au centre, voiture de Martin Legault, Photo courtoisie de Christian Paquet -- [email protected]
En bas, moto d’Éric Fortin, Photo courtoisie d’Éric Fortin, www.quebec-trackdays.com
Remerciement :
Isabelle Gagnon-Zeberg (pour sa patience), Alexandre Massé (pour sa grande contribution), Marc Delisle, Serge Nolin
Gros merci aux commanditaires de la première édition.
Photos à l’intérieur du manuel:
À part exception et où indiqué, les photos et images ont été prises par l’auteur.
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TABLE DES MATIÈRES
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INTRODUCTION AUX MOTEURS À COMBUSTION
COMMENT AMÉLIORER LES PERFORMANCES
INTRODUCTION À LA PRÉPARATION DE MOTEUR
QUELQUES AUTRES NOTIONS DE BASE
RAPPORT DE COMPRESSION
ADMISSION
SYSTÈME D’ÉCHAPPEMENT
CULASSE
PISTON
SEGMENT
BIELLE
VILEBREQUIN
BLOC
COUSSINET
ÉQUILIBRAGE
ÉLECTRIQUE
SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT DU MOTEUR
SYSTÈME DE LUBRIFICATION
HUILE MOTEUR ET HUILE POUR TRANSMISSION
EMBRAYAGE
VOLANT
TRANSMISSION
INJECTION D’EAU/MÉTHANOL
TRADUCTION FRANÇAIS ANGLAIS
ABRÉVIATION
CONVERSION
HISTOIRES COCASSES
RÉFÉRENCE
3
7
11
15
25
30
38
64
74
93
100
103
106
110
115
122
126
138
143
150
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172
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184
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186
187
191
Version à version : Il est clair dans un premier temps que chaque édition est toujours un document partiel de ce
que je sais. En plus, chaque année apporte son lot de nouvelles connaissances suite à des recherches bien
spécifiques après des problèmes, ou encore par curiosité. Il peut arriver que des versions précédentes apportent
son lot d’information que je croyais vrai mais dont ma position s’est révisée suite è de nouvelles informations.
V1 (novembre 2012): Plusieurs corrections sur le texte; peu de changement de contenu; ajout de l’index;
compléments d’information pour les embrayages; ajout du chapitre 4 dont le contenu était plus dispersé dans le
manuel; correction du gain des engrenages droits versus hélicoïdales.
V2 (2013): Révision importante de la section sur les huiles; complément d’information pour les coussinets et les
jeux; complément d’information pour les formules de suralimentation.
4
INTRODUCTION
Pourquoi écrire un autre livre sur les moteurs? Il y a en effet beaucoup de manuels donnant de généreux
renseignements utiles pour la préparation de moteurs, mais bien peu en français. Ainsi, ma première intention était
de rédiger un manuel pouvant aider les lecteurs francophones à approfondir leur compréhension des moteurs. À
l’école on me prénommait « moteur », quel surnom me direz-vous! J’ai évidemment un intérêt prononcé pour les
moteurs, mais il faut bien le dire, plus important que le moteur est ce qu’on peut faire avec. Atteindre des vitesses
incroyables sur une piste de course demeure un moment très zen, où le but est d’aller le plus rapidement en étant le
plus calme possible. C’est comme regarder un jardin de pierre japonais faufilant un peu plus rapidement! Enfiler des
virages en moto comme on trouve sur le circuit Mont-Tremblant à haute vitesse avec l’arrière qui se dérobe, le
genou bien appuyé au sol, c’est l’extase! J’ai beaucoup gouté à la piste en moto (dans tous les sens du mot), c’est
la puissance à l’état pur! Maintenant plus sage, au lieu de rouler sur une roue je tente maintenant de rouler sur 2 en
auto. J’ai fait beaucoup d’expérience sur différents moteurs, et il faut bien le dire, j’ai aussi fait bien des essais moins
heureux. J’ai été confronté à apprendre bien souvent par moi-même beaucoup de choses, parce que la
connaissance est difficilement disponible, parce qu’il y a beaucoup de préjugés, parce que ceux qui en connaissent
long ne désire par toujours dévoiler leur secret. Eh oui disons-le, je ne suis pas un compétitif, je préfère aider par le
biais de ce manuel ceux qui comme moi ont une véritable passion pour la vitesse sur circuit. Aller rapidement
demande d’abord d’être apte à se dépasser soi-même, avoir une bonne technique de conduite, une bonne
mécanique, puis être en mesure d’en tirer profit. Pour en tirer profit, il faut parfois dépasser les préjugés. À quel
régime doit-on changer de rapport? Les réponses à cette question à la base assez banale deviennent rapidement
un grand débat de perception, vous trouverez une réponse très claire dans ce manuel. Est-il préférable d’avoir un
système d’échappement de grand diamètre? Peut-être pas, on verra ensemble ce qu’il en ressort.
Le manuel s’adresse à qui? Lorsqu’on magasine pour des pièces, nous sommes devant un nombre de choix
important de pièces différentes dont chaque manufacturier indique qu’eux ont la BONNE solution. J’ai désiré rédiger
un manuel qui tente de donner les renseignements utiles pour un amateur de performance qui souhaite avoir des
conseils utiles. Étant ingénieur de métier, je n’ai pas pu résister à la tentation d’inclure nombre de calculs, parfois
simples, parfois beaucoup moins, pouvant intéresser des personnes ayant une approche plus théorique. Pour moi,
la théorie sert parfois à démystifier certaines perceptions populaires, déjà je peux entrevoir des personnes qui
aborderont certaines notions avec scepticisme. Dans tous les cas, il est bon de garder une marge de scepticisme,
sans ce dernier, je croirais encore qu’il est impossible qu’un moteur 4 temps produise une puissance de plus de 100
HP au litre, qu’un moteur ne peut tourner plus rapidement que 7 000 rpm au risque de s’autodétruire, enfin, qu’il n’y
a rien de plus rapide sur le premier 3 mètres qu’un gros camion, car cette distance correspond à un seul tour de
roue… Ces trois exemples sont des choses que j’ai bel et bien entendues lorsque j’étais gamin, qui n’ont cessé de
me hanter, qui m’ont poussé à aller chercher la connaissance suffisante pour me faire ma propre opinion.
La théorie est une chose, la pratique une autre. À la base, j’ai une approche davantage théorique de la mécanique,
j’ai la chance d’avoir un frère-mécanicien qui est à l’opposé de moi, ayant une approche pratico-pratique.
Mutuellement, chacun de nous avons influencé l’autre. Cette influence m’a forcé à devenir plus pratique, si je vous
disais le nombre d’heures que j’ai passées sur des tours et fraiseuses pour modifier des moteurs, vous ne le croiriez
pas! De l’autre coté, je vois mon frère faire ses calculs de rapports de transmission, ou réfléchir à la pression
atmosphérique ainsi qu’à l’altitude afin de prévoir la dimension des gicleurs à mettre dans ses carburateurs. Je tiens
donc à remercier mon frère pour ces influences.
Il ne faut jamais sous-estimer l’expérience des mécaniciens de métier et les centres spécialisés, l’expérience
dépasse bien souvent les notions théoriques, la théorie seule ne permet pas d’assembler un moteur. De plus, c’est
triste de le dire, mais chaque moteur et transmission ont leurs particularités, encore une fois, l’expérience pratique
sur un moteur ne nous rend pas expert des autres moteurs. Chaque moteur ont leurs défauts spécifiques un peu
comme nous quoi!
Je vous souhaite une bonne lecture, espérant que ce manuel demeure une source d’information pour vous lors de
vos préparations de moteur. Évidemment, je passe plus de temps à travailler sur mes véhicules qu’à écrire, ne
soyez pas trop sévère sur la qualité du français! De plus, la copie que vous avez en main est une édition par
l’auteur, dont le faible tirage ne justifiait pas de mettre une somme colossal en correction.
Et si vous voulez rire un peu de mes bêtises, je vous invite à lire la section histoires cocasse qui ne vous apprendra
rien techniquement, mais qui risque néanmoins de vous faire rigoler.
Enfin, il y cette deuxième version où je me suis ravisé sur certains sujets, quitte à contredire la première version.
Désolé, la vie est un long apprentissage!
5
6
1
Le moteur à 4 temps sera le sujet de ce manuel, plus spécifiquement la préparation de moteurs d’automobiles et de
motos pour la course. On abordera aussi les éléments de transmission.
Ce manuel se veut un guide, il a été préparé selon le meilleur de mes connaissances. J’essaierai tout au long du
manuel d’avoir une approche à la fois théorique et vulgarisée. Bonne lecture.
1.1
MOTEUR 4 TEMPS
Des moteurs à combustion, j’avoue mon faible pour le moteur 4 temps, j’aurais tendance à croire que je ne suis pas
seul. Évidemment, les moteurs à combustion polluent, ils sont probablement portés à disparaître, mais les moteurs
4 temps tels qu’on connaît sont le fruit de beaucoup d’années de recherche et développement, basé sur une idée
qui n’est pas d’hier.
Le moteur à combustion à 4 temps avec allumage par bougie est aussi nommé moteur fonctionnant selon le cycle
Otto, du nom de l’inventeur industriel Nikolaus August Otto. Si vous allez sur des sites comme Wikipedia, vous
pourrez trouver le cycle théorique qui fait appel toutefois à plusieurs notions théoriques. Ici, on se limitera à sa
description, et ses quelques implications.
Présentons d’abord le moteur à 4 temps comme étant un moteur dont le fonctionnement se fait sur 4 temps pour
accomplir un cycle complet, qui se fait sur deux tours du moteur. Les 4 temps sont les suivants :
-
Admission (voir image 1.0 de la Figure 1-1)
Compression (voir image 2.0 de la Figure 1-1)
Détente (voir image 3.0 de la Figure 1-1)
Échappement (voir image 4.0 de la Figure 1-1)
La Figure 1-1 montre les 4 temps du moteur ainsi que les temps intermédiaires. En pratique, chaque temps
s’entremêle avec les temps précédents et subséquents. Les images montrent un moteur ayant deux arbres à cames
en tête relativement agressifs. À chacune des images, certaines observations peuvent être faites, qui seront
reprises tout un long de ce manuel.
À l’image 0.5, on peut remarquer que la soupape d’échappement est encore ouverte, ainsi que celle d’admission. À
cette étape, les gaz d’échappement sont aspirés par l’effet d’aspiration du système d’échappement. La soupape
d’admission est déjà ouverte afin de prendre de l’avance en vue de laisser entrer un maximum d’air frais le moment
venu. Toutefois, l’air frais arrivant de l’admission peut se diriger directement vers l’échappement ce qui n’est pas
souhaitable. Cette étape est très critique, le choix des composantes du moteur influence beaucoup ses
performances et son dynamiste. À cette étape, on dira qu’il y a chevauchement des cames d’admissions et
d’échappements.
À l’image 1.0, l’air frais et le carburant entrent dans le cylindre. On peut remarquer que l’arbre à cames de
l’admission n’a pas encore atteint son maximum d’ouverture.
À l’image 1.5, le piston est rendu au point mort bas. La soupape d’admission demeure encore ouverte, bien que le
piston débute sa remontée, de l’air frais pourra encore entrer à cause de son inertie. Encore ici, le choix de l’arbre à
cames d’admission influencera grandement le comportement du moteur. Ces quelques degrés où la soupape est
encore ouverte comptent beaucoup.
À l’image 2.0, le moteur est en mode compression, les gaz se compriment, la température augmente causée par
cette compression. À ce stade, le moteur consomme de l’énergie, cette énergie est puisée à même l’inertie des
masses telles que le volant.
À l’image 2.5, le mélange air-essence est pleinement comprimé, et l’étincelle de la bougie enflamme le mélange. En
pratique, l’étincelle a déjà eu lieu bien avant que le piston arrive au point mort haut. La combustion du mélange n’est
pas instantanée, il est nécessaire de donner de l’avance à l’étincelle afin que la combustion crée une pression
maximale au bon moment après que le piston air atteint le point mort haut.
À l’image 3.0, le piston est poussé vers le bas par la pression générée lors de la combustion. La pression sur le
piston se transmet au vilebrequin via la bielle.
7
À l’image 3.5, la détente est arrivée à son terme, et la soupape d’échappement est déjà ouverte depuis peu. À ce
stade, le système d’échappement peut déjà créer une aspiration. Encore une fois, les degrés d’avance de
l’ouverture de la soupape d’échappement ont un effet important sur le comportement du moteur.
À l’image 4.0, le piston remonte et pousse contre les gaz d’échappement.
0.5 Point mort haut, fin de
l’échappement, début de
l’admission
1.0 Milieu de l’admission
1.5 Fin de l’admission,
début de la compression
2.0 Milieu de la
compression
2.5 Fin de la compression,
le carburant est
3.5 Fin de la détente,
4.0 Milieu de
3.0 Milieu de détente
enflammé, c’est le début
début de l’échappement
l’échappement
de la détente
Figure 1-1, Cycle complet d’un moteur 4 temps à allumage par bougie
Un moteur à 4 temps est très malléable au niveau de sa personnalité en jouant avec différents paramètres tels que
les arbres à cames, le système d’admission et le système d’échappement.
Le moteur à 4 temps est le fruit de beaucoup de travail. Les premiers moteurs avaient les soupapes d’échappement
plus grandes que celle d’admission, ce qui est maintenant tout à fait le contraire depuis des décennies. Il est fort à
parier que cette tendance est explicable par le fait que le gaz ayant subi une combustion prend de l’expansion, ce
qui laisse croire l’importance d’avoir des soupapes d’échappement plus grandes.
8
Noter qu’un moteur de 2 litres ayant 4 cylindres sous-entend que chaque cylindre déplace un volume de 0.5 litre,
soit 2 litres divisés par 4. Le fait que le cycle du moteur 4 temps se fait sur 2 tours de moteur signifie que chaque
cylindre consomme jusqu’à 0.5 litre (avec un remplissage à 100%) d’air par 2 tours. Le volume déplacé correspond
au volume que le piston déplace entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB). Le volume de la
chambre de combustion n’est pas inclus dans ce calcul, on en tiendra compte dans le calcul du rapport
volumétrique, qui lui influence les performances du moteur.
La cylindrée d’un moteur (Vm) est l’addition de la cylindrée de chaque cylindre, et la cylindrée d’un cylindre est
fonction de l’alésage (B) et de la course du moteur (S). En équation, cela donne :
Vm
2
= B x S x nombres de cylindres x .0007854
(.0007854 = pi / 4 / 1000 )
Si l’on prend un moteur 4 cylindres ayant des pistons de 82 mm de diamètre (alésage) et une course de 85 mm, on
obtiendra donc un moteur ayant une cylindrée de :
2
Vm
= 82 x 85 x 4 x .0007854
= 1796 cc
= 1.8 litre (1000 cc par litre)
1.2
MOTEUR 2 TEMPS
Il n’est pas question du moteur à deux temps dans ce manuel, mais notons qu’un moteur à 2 temps fait les 4 temps
du moteur à 4 temps en seulement 1 tour. Ainsi, un moteur de 1 litre consommera en théorie 1 litre d’air à tous les
tours, soit le double d’un moteur à 4 temps de même cylindrée. Cela équivaut à dire qu’un moteur 2 temps est
potentiellement 2 fois plus puissants qu’un moteur à 4 temps au même régime. Toutefois, l’efficacité plus faible d’un
moteur à 2 temps le rend légèrement moins puissant que ce double. Autrefois on disait des moteurs 2 temps qu’ils
atteignaient des régimes de moteur stratosphérique, mais le développement des moteurs 4 temps au cours des
dernières décennies à changer la donne. Ainsi, les petits moteurs 2 temps continus à avoir des régimes très élevées
approchant les 20 000 rpm, mais à cylindré égale, pour les moteurs de cylindré plus importante, les moteurs 4
temps de haute performance atteignent maintenant des régimes plus élevés que les moteurs 2 temps.
J’avoue avoir une aversion profonde envers le moteur à 2 temps qui m’a souvent frustré par son manque de fiabilité
et une moins bonne flexibilité de conception que le moteur à 4 temps. Toutefois, leur puissance, leur simplicité
mécanique ainsi que leur poids réduit leur permettent d’avoir de fidèles amateurs. Je continue à leur trouver un
charme évident du point de vue de la sonorité.
1.3
MOTEUR DIESEL
Bien qu’il ne soit pas question des moteurs diesel dans cet ouvrage, il est tout de même intéressant de connaître les
principales différences par rapport au moteur à combustion normal.
Tout d’abord, le moteur est adapté à l’utilisation d’un carburant de type diesel. Le diesel se différencie des essences
normales par le fait que c’est un carburant ayant plus d’énergie inhérente, plus apte à obtenir une combustion sans
le besoin de système d’allumage, et enfin, une capacité à bruler dans une plus large bande de ratios air-carburant.
Un moteur diesel peut être conçu selon les configurations à 2 et à 4 temps. Toutefois, avec les normes antipollution,
le moteur à 4 temps est dorénavant la norme dans l’industrie.
Mécaniquement, les plus grandes différences sont :
- Les moteurs diesel n’ont pas de papillon d’admission, le moteur s’alimente donc d’un plein volume d’air. Le
fait de ne pas avoir de papillon d’admission explique aussi le fait que le moteur diesel a naturellement moins
d’effet frein moteur que ceux à essence. Seule la quantité de diesel fourni module la puissance et le régime.
- Le moteur diesel fonctionne avec un rapport de compression beaucoup plus élevé que ceux à essence
fonctionnant avec des carburants à indice d’octane normal. Le fait que le moteur ne possède pas de papillon
d’admission, le taux de compression est donc constant.
- Le moteur ne possède pas de système d’allumage par étincelle. La chaleur créée par la compression du
moteur permet donc d’auto enflammée le mélange compris dans la chambre de combustion.
Le moteur diesel est une invention de Rudolf Diesel, et date des années 1893-1897. À l’origine, le moteur fut
développé afin de pouvoir fonctionner avec une large gamme de carburant.
9
1.4
CONFIGURATION DE MOTEUR
Les configurations L4, L6, V6 et V8 sont les configurations les plus fréquentes sur le marché automobile. L4 indique
que la configuration des cylindres est en ligne, alors que le V indique une configuration en V. L’angle entre le V est
variable, mais on retrouve souvent un angle de 60 ou 90 degrés. Le chiffre suivant la lettre est le nombre de
cylindres du moteur.
D’autres configurations moins fréquentes sont aussi employées. On retrouve quelques fois un arrangement de type
à plat, défini comme H, pour horizontal. Il y a aussi les VR utilisés par Volkswagen sur certains de leurs modèles,
qui consiste en un V extrêmement serré.
Un nombre de cylindres important permet généralement d’avoir plus de puissance pour un moteur de même
cylindré. Le lien entre puissance et nombre de cylindres n’est pas direct. La cylindrée et le régime de
fonctionnement sont les éléments principaux pour promouvoir la puissance d’un moteur. Un nombre important de
cylindres permet d’atteindre des régimes de rotation de moteur plus important avec la même technologie, ceci à
cause de pièces en mouvements plus légères, et entre autre les efforts plus faible sur les bielles.
Voici quelques configurations typiques incluant une application courante :
ND
Force
secondaire
ND
Moment
primaire
ND
Smart fortwo, Triumph (moto)
Balancé
Balancé
Non balancé
L4
Très commun pour auto et
moto
Balancé
Non balancé
Balancé
L5
Certaines Audi et Volvo
Balancé
Balancé
Non balancé
L6
V2
V4
V5
BMW, Nissan
Ducati (moto), Harley (moto)
Ducati (moto), Honda (moto)
Honda (moto de course)
Balancé
Non balancé
ND
ND
Balancé
Non balancé
ND
ND
Balancé
Balancé
ND
ND
V6
Très commun pour les autos
Balancé
Balancé
Non balancé
Code
Application typique
L2
Suzuki GS500 (moto)
L3
V8
V10
VR6
W16
H4
H6
Force Primaire
Moment
secondaire
ND
Non
balancé
Très commun pour les autos
Balancé
Balancé
Non balancé
Dodge Viper
ND
ND
ND
Volkswagen
ND
ND
ND
Bugatti Veryon
ND
ND
ND
Subaru Impreza, Volkswagen
Balancé
Balancé
Balancé
Coccinelle
Porsche 911
Balancé
Balancé
Balancé
Table 1-1, Liste de configurations de moteur (ND : information non disponible)
Balancé
Non
balancé
Balancé
Balancé
ND
ND
Non
balancé
Balancé
ND
ND
ND
Non
balancé
Balancé
Certaines configurations ont des avantages de poids, d’autres de compacité, enfin d’autre de simplicité mécanique,
etc. Généralement, une conception de moteur entraine toujours une forme de compromis. Personnellement, je suis
adepte des moteurs en ligne pour leur poids minimal et leur simplicité mécanique. Par contre, il n’est vraiment pas
intéressant de concevoir un moteur de 5 litres en configuration 4 cylindres.
La Table 1-1 inclus des informations sur l’équilibrage naturel des moteurs selon leur configuration, il en sera
question dans la section relié à l’équilibrage.
10
2
À cette question, il y a plusieurs réponses en fonction de votre expérience et de la discipline auxquelles vous voulez
participer. La réponse est plus simple pour une voiture de rue, mais les routes publiques ne sont pas des pistes de
course, la justice vous le rappellera. Le nombre d’accidents à cause de la vitesse est important et peut causer la
mort de personnes innocentes. Dans ce manuel, je vais traiter de l’amélioration des performances en fonction d’un
usage sur piste fermée.
À la question « comment améliorer les performances? », la réponse se divise en plusieurs points, voyons-les
ensemble :
-
La technique de conduite
L’amélioration du comportement du véhicule
L’amélioration de la puissance du véhicule
L’optimisation de l’utilisation de la puissance
La réduction du poids du véhicule
La réduction des pertes liées au véhicule
Je sais que vous avez décidé de lire ce manuel afin de vous aider à la préparation de votre moteur, ma première
réponse va possiblement vous décevoir. La technique de conduite est le premier pas à faire. Si vous faites de la
course d’accélération, vous devrez avoir de très bon temps de réponse, car la course d’accélération n’est pas
uniquement une course de moteur, mais une course du temps d’action lorsque le feu tourne au vert. Pour la course
sur circuit routier ou rallye, les techniques de pilotage prennent encore plus d’importance. J’irais même jusqu’à dire
qu’une voiture très puissante risque de vous désavantager, plus c’est puissant et plus le véhicule devient difficile à
contrôler, êtes-vous prêt? À tout jeune me posant la question « qu'est-ce que je devrais faire sur mon auto? », je
réponds, mets de bons freins et de bons pneus, et apprends. Le monde virtuel des jeux vidéo peut bien avoir des
très bons simulateurs d’effet, mais rien ne devient aussi fragile qu’une voiture très modifiée, au risque donc de vous
obliger à faire de la mécanique au lieu de conduire. Je me rappelle plusieurs fois où je m’en prenais à des voitures
beaucoup plus puissantes que la mienne, ayant tous les avantages, mais dont je finissais par passer en avant et
être plus rapide, et ce, par la technique de conduite. La vie est une question de perception, certains hésiterons à
installer des pneus extrêmement agressifs pour des raisons économiques. Des pneus agressifs représentent une
dépense moins élevée que des modifications intenses au moteur. Un moteur puissant ne dure pas éternellement.
L’amélioration du comportement du véhicule est pour moi la deuxième chose la plus importante sur circuit, mais
c’est moins vrai pour les courses d’accélération. Dans un premier temps, il faut travailler sur la fiabilité de l’auto, ce
qui brisera en premier sera les freins. Malheureusement, ce manuel ne traite pas de ce sujet, le sujet est vaste.
Dans un deuxième temps, on peut penser à l’amélioration de la tenue de route. Omis les pneus, ces modifications
n’entraineront pas beaucoup de frais d’entretien, en plus de toujours être utiles au cours de la vie de votre auto.
Encore ici, ce manuel ne traite pas de ces sujets. Je me permets de vous dire que ce n’est pas aussi simple que ce
que ça semble, il est facile de se mettre à acheter tous les gugusses à la mode, alors que ce n’est bien souvent pas
nécessaire. Mais sincèrement, si vous avez une bonne tenue de route et une bonne technique de conduite, vous
risquez d’étonner bien des gens.
Nous y sommes finalement, la puissance du moteur. C’est probablement l’organe le plus sexy de l’auto, rien ne
surpasse l’impression d’un moteur surpuissant. Moi lorsque je vois des « muscles car » vrombissant toute leur
puissance sans subtilité ni retenu, j’avoue que je me mets à rêver d’un Mustang 1966 modifié, comme dans le film
« Un homme et une femme » de Claude Lelouch. Et lorsque j’entends les moteurs surpuissants des courses de drift
ainsi que les moteurs de formule 1, c’est l’adrénaline de mes heures passées sur piste au guidon d’une moto qui
emplit mes veines à nouveau. Mais quelle puissance! Ce sera le sujet de ce manuel, je vous souhaite déjà bonnes
réflexions. N’oubliez pas l’importance des techniques de conduite et du comportement du véhicule… OK, c’est la
dernière fois que j’en fais mention.
C’est bien d’avoir de la puissance, mais encore faut-il pouvoir la délivrer au sol, alors on discutera aussi de ce sujet
dans ce manuel. Mais ici, bien que ça n’ajoute aucun HP (ou très peu), cela affecte les performances, vous verrez
que les budgets deviennent absolument sans limites, c’est bien dommage.
À notre époque où les voitures sont conçues pour être sécuritaires, la course contre le poids passe au second plan.
Il y a bien quelques entreprises telles que Lotus qui travaillent fort à diminuer le poids, les résultats sont très bien,
mais loin derrière ce qui pourrait être si les aspects sécurités n’étaient pas dans le cahier de charge. Côté éditorial,
je me permets de dire que je suis profondément déçu de voir des automobiles comme Ferrari offrir des véhicules
dont les masses deviennent tout simplement inquiétantes pour la facture. Côté purement performance, le poids est
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l’ennemi numéro un. Ce qu’on bonifie d’un véhicule puissant est sa capacité à changer de vitesse rapidement, ce
qu’on nomme accélération. Tout cela devient rapidement un charabia mathématique, loin de mon idée de faire de ce
manuel un traité de mathématique. Je vais donc simplifier le tout et ne pas respecter les règles mathématiques de
base.
La première simplification sera que lorsque je parlerai de force, je parlerai en utilisant l’unité de kilogrammes (kg).
Lorsque je parlerai de la force gravitationnelle, je parlerai d’une force relative à la Terre. Et j’espère que mes
anciens professeurs d’école ne liront pas ce manuel…
L’équation de base de Newton est la suivante : f = m a, où f est la force en Newton, m la masse en kg, puis a
2
l’accélération en m/s .
L’équation simplifiée sera donc F = m A, où F est la force en kg, où m est la masse en kg, et où A est une
2
accélération relative à l’accélération gravitationnelle. L’accélération gravitationnelle de 9.81 m/s est souvent
exprimée comme étant 1 G. Donc, si vous êtes dans une courbe avec une force latérale de 1.2 G, cela sous-entend
que vous êtes soumis à une force de votre poids vers la Terre, avec en plus une force de cotée de votre poids plus
20 %.
Je reviens donc à l’équation F = m A. F est la force que le moteur transmet aux roues de votre véhicule. Plus le
moteur sera puissant, et plus cette force sera grande. Le poids de votre véhicule est m, et A est l’accélération de
votre véhicule. Vous pouvez voir que si je compare un véhicule deux fois plus lourd et puissant à un véhicule de
référence, l’accélération sera la même. Au lieu d’ajouter de la puissance, vous pourriez simplement enlever du poids
à votre auto, vous auriez en effet augmenté les performances de votre auto. Il y a des avantages à avoir un véhicule
léger sur piste de course, la voiture est plus maniable et plus facile à diriger en dérapage. En terme de performance,
ce qu’on cherche en pratique est d’avoir A le plus grand possible, et A = F / m.
On a bien beau avoir beaucoup de puissance, mais il arrive que la résistance de l’air devienne trop importante et
empêche la voiture d’accélérer. Cet effet est causé par la résistance aérodynamique. Si l’on oublie la résistance
aérodynamique un instant, on peut dire que si l’on désire aller deux fois plus rapidement, il faut deux fois plus de
puissance. La résistance aérodynamique est quant à elle une relation au carré, c'est-à-dire que pour aller 2 fois plus
vite, il faut être 2 x 2 = 4 fois plus puissant. En pratique, si vous désirez atteindre une vitesse deux fois plus élevée, il
vous faudra une puissance 8 fois supérieures, soit une fonction cubique.
Prenons un véhicule demandant 50 HP pour rouler à 160 km/h. Si l’on désire atteindre 240 km/h, il faudra une
puissance de : 50 HP x ( 240 / 160 ) x ( 240 / 160 ) x ( 240 / 160 ), soit 170 HP. Mais si votre véhicule demande 100
HP à 160 km/h, cela se traduit par une puissance de près de 340 HP pour atteindre 240 km/h. Vous noterez qu’ici je
ne parle pas de poids, la vitesse maximale d’un véhicule est somme toute indépendante du poids (sauf pour la
friction de roulement). Le poids influence l’accélération ce qui modifie la rapidité à laquelle la vitesse maximale sera
atteinte. La puissance requise pour atteindre la vitesse maximale est :
Pf = Pt = Ff x V / 273.8
(1 / 273.8 = 9.81 N/kg x 1 hr/3600s x 1000m/km x 1HP/746w)
Où :
Pf = Puissance requise pour vaincre la friction
Pt = Puissance à la sortie de la transmission
Ff = Force de friction du véhicule et dont l’équation se résume à peu près à ça :
Ff = Ft + Fr
Où:
Ft = force de trainé aérodynamique
Fr = force de résistance au roulement
2
Ft = V x Sv x Cx x .0049
La valeur .0049 est une valeur approximative, et varie en fonction de la pression atmosphérique et de la
température de l’air.
12
Fr = m x .015
La valeur .015 est une valeur approximative et correspond à une friction de 1.5 %, des pneus de course
extrêmement adhérent peuvent conduire à une friction plus élevée.
Où :
V est la vitesse du véhicule (km/h)
2
Sv est la surface frontale du véhicule (m )
Cx est le coefficient aérodynamique du véhicule, valeur entre .25 et .65
Ici, on peut finalement voir que l’optimum est d’avoir un véhicule petit, très aérodynamique, et léger.
Coefficient aérodynamique
Auto
Année
S
Cx
Sv x Cx
Acura NSX
1993
0.57
BMW M3
1995
0.63
Caterham Seven
0.7
Chevrolet Corvette
1992
0.58
Chevy Blazer
1992
0.99
Dodge Viper RT/10
0.45
Ferrari F430
1999-2004
0.34
Ford Escape Hybrid
2005
1.08
GM EV1
1996
0.37
Honda Civic
2001
0.68
Honda Civic Hybrid
2006
0.27
Honda CR-X Si
1990
0.53
Honda Insight
1999
0.47
Honda RS125 GP
1996
0.316 0.64
0.204
Hummer H2
2003
0.57
2.44
Hummer H3
2006
1.56
Jeep Grand Cherokee
1993
1.09
Kawasaki ZX-12R
2010
0.566 0.60
0.341
Lamborghini Diablo
1995
0.57
Lamborghini Miura
1970
0.56
Lotus Elise
1999
0.59
Lotus Elise
2005-2007
1.6
0.41
0.651
Lotus Elite
1958
0.29
Mazda RX7
1990
0.55
Nissan 240SX
1990
0.55
Porsche 911 Carrera
1986
0.58
Porsche 911 Speedster
1994
0.55
Subaru XT
1985
0.29
Suzuki Hayabusa
2010
0.558 0.56
0.313
Toyota 2000GT
1968
0.54
Toyota Camry Hybrid
2007
0.27
Triumph Spitfire
1964-1970
0.39
Table 2-1, Coefficient aérodynamique (données non vérifiées)
En pratique, il est très difficile de trouver des données de confiance pour les coefficients aérodynamiques, il est
fréquent d’en trouver qui diffère d’une source à l’autre. De plus, avec l’accroissement du format des véhicules, on
trouvera souvent le Cx, mais rarement le Sv x Cx (souvent indiqué comme SCx), qui lui fournit la donnée utile. Le Sv
et le Cx sont indépendants, et on a bien beau avoir un bon Cx, si la surface frontale du véhicule (Sv) est grande, la
trainée sera importante. La Table 2-1 donne des valeurs typiques de coefficients aérodynamiques.
13
Le résultat en ce qui concerne l’accélération du véhicule dépendra donc de plusieurs facteurs : la puissance du
moteur; le rapport engagé de la transmission; la vitesse à laquelle vous êtes; les caractéristiques aérodynamiques
du véhicule; son poids; etc. L’accélération sera donc de :
A = ( Pt – Pf ) x 273.8 / ( m x V )
Prenons un exemple où :
m = 750 kg
Cx = .35
Sv = 1.69
Pt = 200 HP
Et on désire calculer l’accélération à 160 km/h.
Pf = Ff x V / 273.8 = Ff x 160 / 273.8 = 85.4 x 160 / 273.8 = 49.9 HP
Ff = Ft + Fr = 74.2 kg + 11.2 kg = 85.4 kg
2
2
Ft = V x Sv x Cx x .0049 = 160 x 1.69 x .35 x .0049 = 74.2 kg
Fr = m x .015 = 750 x .015 = 11.2 kg
A = ( Pt – Pf ) x 273.8 / ( m x V ) = ( 200 – 49.9 ) x 273.8 / ( 750 x 160 ) = .34 G
La Figure 3-3 donne un exemple pour chaque rapport à différent rapport de la transmission pour une configuration
de véhicule.
14
3
La préparation d’un moteur doit se faire en fonction du besoin à combler. La puissance maximale n’est pas un enjeu
unique. La manière à laquelle la puissance est délivrée est aussi très importante en fonction de l’application. Il faut
bien savoir ce qu’on cherche. Le choix de transmission peut lui aussi influencer la bande de puissance souhaitée.
Il y a aussi l’enjeu de fiabilité. Un moteur utilisé pour des courses d’accélération ne sera pas forcément conçu de la
même manière qu’un moteur utilisé pour le circuit routier.
En général, on peut simplifier en disant que le haut du moteur (culasse, arbre à cames, admission, échappement)
procure la puissance, et que le bas du moteur (vilebrequin, bloc, système de lubrification, piston) procure la fiabilité.
3.1
COUPLE
Un moteur fournit d’abord un couple. Le couple est la capacité de produire un effort en fonction d’une distance.
La combustion du mélange crée une pression s’exerçant sur le dessus du piston, puis cette pression crée une force
proportionnelle à la surface du piston. La force créée se transmet au travers la bielle et en fonction de la position du
vilebrequin, un couple est produit.
La valeur du couple change en fonction du régime du moteur, le souhait est d’obtenir un moteur ayant un couple
constant du régime ralenti au régime maximal. En pratique, certains moteurs s’en rapprochent à partir d’un certain
régime, mais on verra que le couple se met à descendre de plus en plus rapidement à mesure que le régime
continue d’augmenter.
Un moteur de grosse cylindré aura naturellement plus de couple qu’un moteur de plus faible cylindré pour un moteur
atmosphérique.
La transmission couplée à un moteur agit comme un multiplicateur de couple. En effet, si la transmission a un
rapport de 3 sur le premier rapport, le couple à la sortie de la transmission sera donc de 3 fois supérieure au couple
du moteur.
Ultimement, ce qui fait accélérer la voiture est la force (Frm) au point de contact du pneu sur la route.
Mathématiquement, on peut écrire que :
Frm = ( Cm * Rt * Rd * 203.9 ) / Drm
( 203.9 = 1kg/9.81N x 1000mm/1m x 2 (pour le diamètre de la roue versus son rayon)
Où :
Cm est le couple à la sortie du moteur (en N.m)
Rt est le rapport de réduction des engrenages du rapport engagé
Rd est le rapport de réduction de pont, communément appelé le rapport de différentiel
Drm est le diamètre des roues motrices (mm)
Cela sous-entend que la force change en fonction du rapport engagé de la transmission. C’est cela qui explique que
nous ressentons une accélération plus forte sur le premier rapport que sur le dernier.
La Figure 3-1 montre une courbe de puissance typique d’un moteur Honda H22A atmosphérique.
La Figure 3-2 montre la force résultante sur le point de contact du pneu sur la chaussée en fonction du rapport de
vitesse engagé. On voit clairement dans cet exemple que bien que le couple moteur soit plus faible à plein régime,
la force d’accélération est néanmoins toujours supérieure sur un rapport inférieur. Il est clair que le passage de
vitesse doit se faire au régime maximal quel que soit le rapport de vitesse sur lequel on se trouve. Un autre moteur
avec une autre boîte de transmission donnera des résultats différents, mais cet exemple est pour un moteur ayant
une courbe de couple relativement constant, et couplé avec une boîte de vitesse à rapports rapprochés. Ces
graphiques sont basés sur une boîte de vitesse ayant des rapports courts de 2.62, 1.89, 1.48, 1.21 et 1.03, utilisant
un rapport de pont de 3.77, avec des pneus ayant un diamètre de 606 mm.
15
COURBE DE PUISSANCE, MOTEUR H22A
COUPLE (N.M) / PUISSANCE HP
220
210
200
190
180
170
"H22A WHP"
H22A W COUPLE
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
RPM
Figure 3-1, Courbe de puissance pour un moteur Honda H22A légèrement modifié
FORCE (KG) VERSUS VITESSE
Voiture 750 kg (avec pilote), Cx = .35, S = 1.69
700
FORCE D'ACCELERATION (KG)
600
500
RAPPORT 1
400
RAPPORT 2
RAPPORT 3
RAPPORT 4
300
RAPPORT 5
Ff, Force de friction
200
100
0
30
55
80
105
130
155
180
205
VITESSE DU VÉHICULE KM/H
Figure 3-2, Force d’accélération versus vitesse
ACCÉLÉRATION (G) VERSUS VITESSE
1.00
ACCÉLÉRATION (G)
0.80
RAPPORT 1
0.60
RAPPORT 2
RAPPORT 3
RAPPORT 4
RAPPORT 5
0.40
0.20
0.00
30
55
80
105
130
155
180
Figure 3-3, Accélération d’un véhicule versus vitesse
16
205
La Figure 3-3 montre l’accélération théorique que la voiture devrait avoir en tenant compte de la friction de
roulement et de la résistance aérodynamique.
Les Figure 3-4, Figure 3-5 et Figure 3-6 montrent les mêmes courbes pour un moteur Rover V8 ayant beaucoup de
couples, joint à une boîte Porsche Boxter 5 vitesses. Il faut voir qu’avec une possibilité d’accélération sur le premier
rapport telle qu’indiquée, la traction demeure toujours insuffisante et promet des spectacles de crissement de pneu
garanti. Dans ce cas, le passage des vitesses doit se faire à plein régime lorsqu’on ait sur le rapport 1 et 2, mais la
donne change lorsqu’on est sur les rapports 3 et plus. Il faut donc changer de rapport aussi tôt que les courbes se
croisent.
Les Figure 3-7 et Figure 3-8 montrent encore une fois différentes courbes pour une moto Suzuki GSX1000 2005,
dont le moteur a beaucoup de rallonges au-delà du régime où le HP maximum est atteint, possédant une boîte de
vitesse à étagement extrêmement rapproché. Dans ce cas il est intéressant de noter la vitesse atteinte sur le
premier rapport, ce choix est dicté par le fait que l’accélération de la moto est limitée par sa capacité à ne pas se
cabrer sur la roue arrière. Un rapport plus court en première ne donnerait aucun avantage, et pourrait même être
dangereux. Ici on voit qu’il y a beaucoup d’entrecoupement des forces au niveau des rapports supérieurs. Il est clair
dans ce cas-ci qu’il ne faut pas changer les rapports à la limite du moteur, que le régime optimal change en fonction
des rapports. Ayant fait beaucoup de pistes avec une moto similaire, en gérant le régime de passage des vitesses
en me fiant uniquement au compte-tours, j’étais en mesure de suivre des motocyclettes modifiées avec ma moto
d’origine, ayant au moins 10 HP de moins et 10-15 kg de plus. En travaillant sur le régime de moteur, j’étais arrivé à
atteindre 288 km/h sur la ligne droite de la piste de Mosport au lieu de 265 km/h en début de journée.
C’est donc dire que le problème est plus compliqué que ce qu’il semble et peut aller à l’encontre de ce qu’on ressent
au volant de notre bolide. Il y a aussi certains facteurs qui trompent notre perception. Par exemple, lorsqu’on fait
tourner notre moteur extrêmement rapidement, la chute de régime lors du passage du rapport supérieur sera plus
importante que lors d’un passage à un régime plus faible, et cette chute de régime, associé à l’inertie du moteur
crée un choc nous donnant l’impression que notre bolide est très puissant. Il y a aussi l’étagement des rapports qui
change notre perception. En ce sens, si vous avez une transmission avec des rapports très espacés, l’effet de
l’inertie du moteur crée encore une fois un choc plus violent. Dans le même sens, plus vous avez une transmission
avec des rapports rapprochés, et plus vous obtenez de la performance avec moins d’émotions. La position de
conduite influence elle aussi notre perception. À accélération égale, un pilote de moto de course courbé sur luimême ressent beaucoup moins d’accélération qu’un pilote en position assise dans une auto, ou pire, sur une moto
avec une position de conduite droite, comme sur une V-Max. Je me rappellerais toujours une balade dans un
Mustang, j’étais assis sur la banquette arrière, le pilote partit en trombe, quelle émotion. L’auto se cabrait sous l’effet
de la puissance, la suspension s’étirait, et le passage du deuxième rapport entrainait un choc intense. Lorsque je vis
la faible vitesse à laquelle nous étions arrivés, quelle déception, moi qui ne ressentais rien de cela avec ma moto qui
passait de l’arrêt à 100 km/h en moins de 2.5 secondes. Les plus récentes motos de la catégorie sport accélèrent
dans les faits un peu moins à basse vitesse (100 km/h et moins) que les motos un peu plus anciennes, ces
dernières ne se cabraient pas sur la roue arrière à cause d’un empattement plus important, et un centre de gravité
plus bas. Ma dernière moto atteignait une vitesse de plus de 160 km/h sur le premier rapport, cela signifie que la
seule chose à faire jusqu’à cette vitesse est d’attendre, et le temps paraît soudainement très long. À l’autre extrême,
prenez un motocross dont il faut passer 6 rapports pour atteindre 100 km/h, que d’émotions mes amis! Une surdose
d’adrénaline.
Il faut être clair, pour aller rapidement sur circuit, moins qu’il y a d’éléments suggérant l’effet de vitesse, et plus il
sera facile d’aller rapidement sans atteindre un niveau d’inconfort émotionnel. En résumé, pour être performant,
vous allez dépenser beaucoup d’argent pour obtenir éventuellement moins d’émotions. Si vous voulez de l’émotion,
achetez-vous une vielle Lada, installez un turbo, installez des pneumatiques de course, puis enlevez les freins. Je
suis certain que cela va être très impressionnant!
17
COURBE DE PUISSANCE, ROVER V8 4.6 L
360
"ROVER V8 WHP"
340
ROVER V8 W COUPLE
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
RPM
Figure 3-4, Courbe de puissance pour un moteur Rover V8 4.6 litres légèrement modifié
1600
FORCE D'ACCELERATION (KG)
1400
1200
RAPPORT 1
RAPPORT 2
1000
RAPPORT 3
800
RAPPORT 4
RAPPORT 5
600
Ff, Force de friction
400
200
0
30
55
80
105
130
155
180
205
Figure 3-5, Force d’accélération versus vitesse
2.00
1.80
1.60
ACCÉLÉRATION (G)
1.40
RAPPORT 1
1.20
RAPPORT 2
1.00
RAPPORT 3
RAPPORT 4
0.80
RAPPORT 5
0.60
0.40
0.20
0.00
30
55
80
105
130
155
180
205
Figure 3-6, Accélération d’un véhicule versus vitesse
18
Ratio:
Diff: 3.89
1: 3.5
2: 2.11
3: 1.43
4: 1.03
5: .837
COURBE DE PUISSANCE
Suzuki GSX1000 2005 (valeurs approximatives)
160
WHP
150
W COUPLE
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10 10.5 11 11.5 12 12.5 13
RPM (x1000)
Figure 3-7, Courbe de puissance d’une moto GSX1000 2005
FORCE D'ACCELERATION
(KG)
Suzuki GSX1000 2005 (valeurs approximatives)
300
RAPPORT 1
RAPPORT 2
RAPPORT 3
RAPPORT 4
200
RAPPORT 5
RAPPORT 6
100
40
80
120
160
200
240
280
320
Figure 3-8, Force d’accélération d’une moto GSX1000 2005
3.2
PUISSANCE
La notion qui définit la puissance peut paraître subtile, mais elle demeure le meilleur outil pour comparer deux
moteurs. La notion de puissance réside dans la capacité qu’un moteur a à générer un couple en alliant la notion de
vitesse.
En effet, la capacité de produire un couple ne demande pas de mouvement, il faut s’entendre qu’avec une voiture,
ce qui est souhaité est justement d’obtenir un mouvement. Lorsque vous serrez un boulon avec une clé, vous
exercez un couple de serrage, et lorsque vous atteignez le couple requis, vous maintenez le couple sans toutefois
faire davantage de mouvement.
La puissance procure la définition ultime pour définir la capacité à produire du mouvement.
Pour un moteur, la puissance est directement fonction du couple et de la vitesse de celui-ci. À couple égal, un
moteur tournant à un régime deux fois supérieur produira une puissance deux fois supérieure.
19
La puissance s’exprime communément en HP, mais aussi en Watt. Comme toujours, pour confondre, il y a le HP
impérial, et le HP métrique (rarement utilisé). Ici bas, vous trouverez quelques formules pour calculer la puissance,
et portez attention au fait qu’il y a toujours un mouvement.
HP = Couple (N.m) * RPM / 7123
HP = Couple (lb.pied) * RPM / 5252
HP = Force (kg) * Vitesse (km/h) / 273.8
HP = Force (lb) * Vitesse (mph) / 77.2
kW = Couple (N.m) * RPM / 9549
(1/7123 = 2pi rad/t x 1min/60s x 1HP/746w)
(5252 = 7123 x 1kg/9.81N x 2.2046lb/1kg x 3.2808pied/1m)
(1/273.8 = 9.81 N/kg x 1 hr/3600s x 1000m/km x 1HP/746w)
(1/77.2 = 1/273.8 x 2.2046lb/1kg x 1km/h/.6214mph)
(1/9549 = 2pi rad/t x 1min/60s x 1KW/1000w)
La Figure 3-1 montre la courbe de puissance d’un moteur H22A légèrement préparé. Il est intéressant de voir que
les deux courbes (couple et puissance) fléchissent de façon semblable en fonction des régimes moteurs.
Normalement, la norme est de parler de puissance au litre, mais il est parfois plus avantageux de parler de
puissance au litre par 1000 rpm afin de pouvoir avoir une idée plus précise du travail fait sur le moteur. Faire le
calcul donne le potentiel de modification qu’on peut faire sur un moteur. On retrouve des moteurs de série procurant
des Plm de beaucoup inférieurs à 15 HP (moteur sans suralimentation). La configuration de certains moteurs ne
permettra pas de se rendre à ce niveau de rendement même avec des modifications. Pour les moteurs 2 soupapes
atmosphériques, bien souvent, la limite peut être d’environ 13 HP / litre / 1000 rpm.
La limite de puissance qu’un moteur peut obtenir est fonction de sa configuration, de sa cylindrée et du régime
moteur. L’expérience montre toutefois que pour un moteur atmosphérique, la puissance maximale est aux alentours
de 15 HP / litre / 1000 rpm (défini ici comme étant Plm) au régime où la puissance maximale est atteinte. Voici
quelques exemples :
-
Moteur de 1 litre, tournant à 12 000 rpm peut procurer 180 HP (moteur de moto)
Moteur de 3 litres, tournant à 18 000 rpm peut procurer 810 HP (moteur de Formule Un)
Moteur de la Figure 3-1, 2.157 litres, puissance maximale à 7 000 rpm, et considérant une perte de 15 %
dans la boîte de vitesse, pour une puissance au moteur de 228 HP, procure un Plm de 15.1 HP / litre /
1000 rpm.
COURBE DE PUISSANCE PAR LITRE PAR 1000 RPM (Plm)
18
H22A
17
ROVER V8 4.6 L
16
GSX1000
HP / litre / 1000 rpm
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
RPM
Figure 3-9, Courbe de la puissance par litre par 1000 rpm pour 3 moteurs
Il est tout à fait possible d’atteindre un Plm plus élevé aux régimes intermédiaires. La Figure 3-9 montre les courbes
de la puissance par litre par 1000 rpm. On peut voir que le moteur de la moto GSX1000 est le plus efficace vers
9000 rpm alors que la puissance maximale est atteinte à un régime bien supérieur. La courbe du moteur Honda
H22A est très constante. Dans ce dernier cas, lorsqu’on interprète la courbe, il est fort probable que des
20
modifications pourraient être faites afin d’augmenter la puissance à des régimes intermédiaires. Le cas du moteur
Rover décrit ici est bien différent, la Plm est maximal à un régime assez bas et devient en chute libre à mesure que
le régime augmente. Il est clair que ce moteur démontre de la difficulté à respirer à haut régime.
En résumé, les méthodes pour augmenter la puissance d’un moteur résident à trouver le moyen d’aller chercher le
maximum de puissance spécifique par 1000 rpm et de jouer sur le régime maximum.
Les systèmes d’admission forcés tels que les turbo et les compresseurs volumétriques tentent essentiellement de
pousser le Plm de 15 HP / litre / 1000 rpm plus loin, l’admission forcée augmente artificiellement la cylindrée d’un
moteur. Un moteur de 2 litres fonctionnant avec une pression de turbo de 1 bar (pression atmosphérique) aura donc
la possibilité de remplir le moteur en air frais d’un volume de 1 bar naturellement, puis de 1 bar par la pression du
turbo. De ce fait, le moteur se rapprochera d’un moteur de 4 litres.
De nos jours, certains moteurs arrivent déjà avec des puissances spécifiques par 1000 rpm très élevés d’usine,
comme le moteur de la Lotus Élise à 190 HP pour un moteur de 1.8 litre, à un régime de 7 750 rpm (chiffres
approximatifs). On peut donc voir que le Plm est de 13.6 HP / litre / 1000 rpm. Cela indique que le moteur est déjà
près de la limite de puissance. En travaillant le moteur pour sortir son plein potentiel, on peut envisager un gain
somme toute assez marginal de 1.4 HP X 7.75 X 1.8 soit 20 HP. Avec ce moteur, si vous espérez avoir un gain de
50 HP, il est clair que les seules possibilités seront soit de faire tourner le moteur beaucoup plus rapidement, ou
d’installer un système d’admission forcée.
En général, il est plus difficile d’augmenter le régime maximal d’un moteur que d’installer un système d’admission
forcé. Ceci explique d’ailleurs pourquoi les systèmes d’admission forcés sont si populaires. Augmenter le régime
moteur devient rapidement une course contre le poids des pièces mobiles, et aussi une course à la réduction de la
friction.
Figure 3-10, Variation de l’accélération en fonction de la vitesse et de la puissance
Augmenter la cylindrée d’un moteur en augmentant la course ne devrait pas théoriquement augmenter la puissance
d’un moteur, car le régime maximal devrait théoriquement diminuer. Tout d’abord, si l’on augmente la course de
10 %, on pourrait être tenté de penser que la puissance augmentera de 10 %. La réalité est entre la théorie qui veut
que la puissance n’augmente pas, et l’autre approche optimiste qui laisse entendre que la puissance est
directement liée à la cylindrée. Avec une course plus longue, le moteur aura donc plus de friction au régime
maximal, mais l’avantage de cylindrée demeure. Le gain sera fonction du moteur, et de son comportement d’origine.
D’autre part, ce n’est pas à cause qu’un moteur a une course courte qu’il sera en mesure de tourner rapidement.
Prenons un exemple que j’ai vécu, un moteur de Triumph GT6 (oui je sais, c’est un drôle d’exemple qui ne vous dit
probablement pas grand-chose) de 2 litres et ayant tout de même 6 cylindres. La course de ce moteur est
relativement courte (76 mm), on pourrait penser qu’il est possible de le faire tourner à fond. Pour faire augmenter le
21
régime, il faut retravailler beaucoup d’éléments, en passant par l’arbre à cames, le rapport volumétrique, la culasse,
le système d’échappement. Et après avoir fait bien des modifications, le moteur peinait à atteindre des régimes de 7
500 rpm. La fiabilité devenait relative au niveau des paliers de bielle. Avec ce type de moteur, et tenant compte des
pièces disponibles, il devient vraiment difficile d’obtenir des chevaux par le régime moteur, de ce fait, la décision fut
prise d’allonger la course du moteur à 95 mm. Le moteur tournait facilement 6 500 rpm, mais démontrait un
dynamiste assez surprenant avec un bon 220 HP dans une auto qui somme toute est réellement plus petite et
légère que toutes les voitures de catégories sous-compacte actuelles.
Figure 3-11, Amélioration de l’accélération avec un gain de 18% de
puissance (voir Figure 3-10)
Lorsque l’on augmente la puissance par exemple de 20%, on peut s’attendre à une accélération plus rapide de 20%
n’est-ce pas? Dans les faits, on n’aura pas autant de gain au départ car il y de l’inertie au niveau du moteur, mais
l’amélioration sera notable. Mais à haute vitesse, l’augmentation devient encore plus notable à cause de la
puissance qui est consommé pour vaincre la résistance aérodynamique. Ainsi, si la voiture demande d’avoir 100 HP
pour rouler à la vitesse de 160 km/h et que la voiture a 100 HP, il n’en reste plus pour accélérer. Le fait d’augmenter
la puissance de 20 HP change complètement la donne en laissant maintenant 20 HP pour accélérer. Lorsque l’on
augmente la puissance, c’est à haute vitesse que la différence devient la plus notable. Les Figure 3-10 et Figure
3-11 montrent l’effet de l’ajout de 50 HP sur un moteur qui en possède déjà 275 HP (aux roues), soit 18%, en tenant
compte de la résistance aérodynamique. On remarque à 200 km/h le gain passe de 18% à 35%. Cela explique
pourquoi les voitures très puissantes prennent beaucoup de distance même si leur rapport poids/puissance peut ne
pas être si favorable.
3.3
FIABILITÉ
Dans le monde des moteurs modifiés, il est beaucoup plus simple d’obtenir un moteur puissant qu’un moteur fiable.
L’investissement mis dans la puissance d’un moteur peut devenir très éphémère. Tout au long de ce manuel, il en
sera question.
Évidemment, la définition d’un moteur fiable est sujette à interprétation. Je me souviens d’un moteur que je roulais
et qui dans sa première configuration de 320 HP pour un moteur de 1.8 litre procuraient une vie d’environ 8 heures
à plein régime. (Une usure des cylindres se produisait). Une vie bien courte me direz-vous? Sur route, le moteur
n’aurait pas eu de problème avant une très longue période. Sur piste d’accélération, le moteur aurait pu fonctionner
des années. Sur circuit routier, cette vie se limitait à une fin de semaine.
3.4
COURSE D’ACCÉLÉRATION
Je vais me permettre d’être honnête, je n’ai pas d’expérience particulière dans la préparation de moteur pour ce
type de course. Toutefois, il est clair que la préparation de ce type d’engin demande une expertise spécifique.
Notons que généralement, les moteurs sont construits pour avoir un maximum de puissance à l’intérieur de
paramètres de fiabilité moins critiques que pour les évènements de circuits routiers. On retrouve souvent un
système de refroidissement du moteur minimal tout autant pour le liquide de refroidissement que pour l’huile.
Certaines solutions assez inusitées sont parfois employées, comme des petits trous sur les pistons pour diriger la
pression de la chambre de combustion sur les segments de piston afin de diminuer la perte d’étanchéité de ces
derniers.
22
Les moteurs sont construits essentiellement afin de résister à des charges importantes avec des chocs intenses. On
retrouve parfois des paliers de vilebrequin utilisant des roulements à rouleaux au lieu de coussinet à l’huile. En effet,
les roulements à rouleaux permettent de prendre une plus grande charge, mais la vie est toutefois toujours limitée,
alors que les coussinets permettent une vie infinie, lorsqu’utilisés à l’intérieur de leur capacité.
On retrouve souvent des volants assez lourds afin d’accumuler un maximum d’énergie pour augmenter
l’accélération dans les premiers mètres.
Figure 3-12, Voiture de Rudolphe Nadeau, 6,43 secondes sur le quart de mile
(Photo courtoisie de Christian Paquet -- [email protected])
L’électronique autour du moteur est conçue pour aider le pilote à faciliter le départ de la ligne, de limiter au minimum
les temps de réaction et les erreurs du pilote.
Du côté transmission, il est souvent préconisé d’avoir une transmission automatique avec peu de rapport et un
réglage agressif pour le passage des rapports. Que ce soit avec une transmission automatique ou manuelle, c’est la
discipline qui gagne le plus à programmer des changements de rapport à des régimes optimaux.
On retrouve généralement des différentiels autobloquants favorisant un passage de puissance au sol optimal,
consistant souvent en des systèmes très simples.
3.5
COURSE DE CIRCUIT ROUTIER AUTOMOBILE
La préparation de moteur pour circuit routier demande un effort de compromis entre la puissance et la fiabilité. On
peut comprendre à quel point la Formule Un est devenue un exercice incroyable d’ingéniosité en couplant des
puissances colossales dans un environnement de relative endurance. Chaque fin de courbe devient une piste
d’accélération.
Figure 3-13, Lotus Europa de Sylvain Julien
Beaucoup d’effort doit être mis sur les systèmes de refroidissement. La gestion de l’huile contenue à l’intérieur du
carter peut devenir un enjeu important pour la survie du moteur. Il est facile de devenir paranoïaque et d’acheter
tous les kits sur le marché, nécessaire ou non.
La conception du moteur est intimement liée à la transmission, le moteur doit fournir la puissance dans des
conditions d’utilisation très variables. Une transmission avec des rapports très rapprochés permet de développer un
moteur pointu avec un maximum de puissance. Un étagement de boîte plus espacé demande un moteur plus
linéaire. Le moteur gagne aussi à pouvoir relâcher sa puissance de façon progressive avec un temps de réponse
minimal en sortie de virage. En effet, lorsque la voiture est à la limite d’adhérence, une réaction vive du moteur
demande plus de contrôle du pilote.
23
Le moteur gagnera à avoir de la rallonge bien au-delà du régime où la puissance maximale est atteinte. Ainsi, un
moteur dont la puissance est maximale à 8000 rpm par exemple gagnera à pouvoir tourner plus de 9000 rpm afin de
limiter les changements de rapports à des endroits stratégiques sur circuit.
Le moteur étant constamment sollicité, la fatigue des composantes est mise à partie, s’il y a un risque que ça brise,
prenez pour acquis que ça va arriver. C’est donc la discipline où on retrouve les moteurs avec le moins de
puissance par rapport aux autres disciplines.
Enfin, la boîte de vitesse est mise à rude épreuve. On retrouve parfois des différentiels autobloquants, mais cela
entrainera presque toujours un certain effet sur le comportement routier de la voiture, désiré ou néfaste, nous
sommes ici sur un terrain de compromis.
3.6
COURSE DE CIRCUIT ROUTIER MOTO
Un peu à la manière de la préparation de moteurs automobiles pour le circuit routier, la préparation d’un moteur de
moto demande un compromis entre la puissance et la fiabilité. Néanmoins, il y a des nuances qui sont assez
importantes. Premièrement, un moteur de moto est beaucoup moins sollicité qu’un moteur automobile. En effet, sur
un tour de piste, le pourcentage du temps où l’accélérateur est à fond est beaucoup plus faible. Les sorties de
virage demandent beaucoup plus de raffinement, le temps en courbe est plus long, et finalement, l’accélération à
basse vitesse (qui peut être 160 km/h) et le freinage est limité par le centre de gravité élevé de la moto. Une autre
nuance importante est que dans certaines classes de compétition, la puissance est littéralement limitée. Il devient
rapidement évident que la préparation du moteur ne se limite pas à extraire un maximum de puissance, mais
d’obtenir la puissance maximale sur une bande de régime plus large.
Certains problèmes n’existent pas tels que le problème de nivellement d’essence et d’huile, qui sont somme toute
toujours assez constants pour les lignes droites ainsi que les virages. Ce problème d’huile se limite aux cas où la
moto roule avec un angle important sur la roue avant ou arrière.
Enfin, les moteurs de moto sont extrêmement bien conçus, le marché des pièces de remplacement est somme toute
assez limité.
La technique de conduite prend une plus grande part sur les performances au tour que le cas d’une voiture.
3.7
COURSE DE DRIFT
La course de drift demande une conception hybride entre le moteur de course d’accélération et celui de circuit
routier.
On retrouve des moteurs très puissants et relativement solides. Toutefois, les pilotes n’utilisent pas en permanence
la puissance disponible, mais elle doit être disponible pour quelques secondes dans certaines conditions.
On retrouve donc des systèmes de refroidissement favorisant le refroidissement de l’échangeur air-air du système
d’admission forcé au refroidissement du moteur. Le soin apporté au flux d’air au radiateur est relativement minimal.
Au niveau des composantes de transmission, c’est probablement la discipline la moins sévère pour cette
composante. La course d’accélération crée des stress extrêmement imposants au moment du départ. La course en
circuit routier sollicite grandement les mécanismes de passage des rapports. Ici, en course de drift, les passages
des rapports sont peu nombreux, les stress liés au départ sont plutôt limités grâce à l’utilisation de pneus somme
toute assez peu adhérents par rapport aux autres disciplines.
Avouons ensemble que le spectacle de ces engins est quelques choses de très impressionnant!
3.8
COURSE DE RALLYE
Sur plusieurs points, le moteur de rallye doit être conçu comme le moteur de circuit routier. Le moteur gagne
néanmoins à avoir une plage de puissance plus étagée, et pardonne un peu plus les effets d’un moteur délivrant sa
puissance d’une façon un peu brusque. Ici, nous sommes au royaume du moteur turbo.
24
4
Ce chapitre est le plus théorique du manuel. J’ai volontairement assemblé une somme d’informations et de théories
utiles pour mieux comprendre le contenu du manuel. Ce choix permet d’alléger les autres chapitres en limitant les
explications théoriques. Vous avez le choix de lire attentivement cette section quitte à vous endormir d’ennui, ou
bien en faire un survol, puis y revenir au besoin lors de la lecture du manuel. Je sais que certains trouveront
beaucoup trop théorique cette section, tentez donc de l’aborder d’une façon positive.
4.1
MASSE, FORCE ET MOMENT
Pour parler de force, il faut d’abord faire la distinction entre une masse et une force. La masse d’un objet est
constante que nous soyons sur la Terre ou dans l’espace. C’est en quelque sorte la quantité de matière. La masse
est constante pour les vitesses dans lesquelles nous avons affaire dans la vie de tous les jours. Dire que la masse
varie demande une plus grande connaissance des systèmes d’équations relevant de la relativité d’Einstein, et
devient pertinent à des vitesses se rapprochant de la vitesse de la lumière. Retenez donc qu’elle est constante. La
masse s’exprime en kilogramme dans le système métrique, puis en slug dans le système impérial. Cependant,
l’unité slug est très rarement utilisée.
Une force peut être représentée comme l’effort requis pour retenir une masse dans un système de gravitation tel
que celui de la Terre. La force s’exprime en Newton dans le système métrique et en livre-force dans le système
impérial. Ainsi, sur Terre, retenir une masse de 1 kg demandera une force de 9.8 Newtons (N), car la Terre entraîne
2
vers son centre les objets selon une accélération moyenne de 9.8 m/s . Dans le système impérial, pour retenir une
masse de 1 slug, il faudra 32.2 livre-force.
C’est ici que ça se complique, car lorsque nous travaillons avec le système d’unité impérial, nous parlons
généralement d’une masse de 1 livre par exemple. Il s’agit donc d’une livre-masse. Dans la vie courante, nous
faisons la distinction entre livre-masse et livre-force afin de s’assurer que nous ayons une compréhension
commune. Alors, si nous poussons une voiture d’une masse de 2000 livres (livres-masses, 909 kg), en supposant
une friction de 1.5 %, il faudra une force de 30 livres (livres-forces, 134 N). Il faut donc porter une attention
particulière pour ne pas créer de confusion. Êtes-vous assez confus? L’abréviation de la livre est lb, et nous provient
du mot latin libra.
Il faut voir une force comme un vecteur qui possède une grandeur et une direction. Si je pousse une voiture, je dois
pousser 134 N dans le sens du déplacement de l’auto. Si je pousse mal selon une direction de 30 degrés par
rapport au sol, il faudra une force de 155 N, soit 134 N dans le sens du déplacement de l’auto, puis 77.5 N vers le
sol. Nous pouvons voir que 134 plus 77.5 égales 211.5 N, puis que cette somme n’est pas égale à la force de 155
N. Ceci est normal, les forces de 134 et 77.5 N sont issue d’une décomposition vectorielle, respectant dans ce cas
les notions du triangle de Pythagore.
Un moment est l’équivalent du couple, mais le terme moment représente une notion plus générale. Le moment est
le fruit d’une force appliquée multipliée par une distance. Si nous prenons une clé dynamométrique, que cette clé a
une longueur de 50 cm, que nous appliquons une force de 100 N en prenant soin que cette force soit orientée à 90
degrés de l’outil, nous obtenons alors un moment de 100 N x 50 cm = 5 000 N cm = 50 N m. En définitive, un
moment est le produit d’une force et d’une distance normale par rapport à un point. Sur les clés dynamométriques,
nous retrouvons plusieurs unités, soit : N m ou kg m; lb ft ou lb in.
4.2
INERTIE
Le concept d’inertie est relativement abstrait. On peut résumer que l’inertie représente la capacité d’un objet à
vouloir demeurer à l’état d’origine de référence. Ainsi, l’inertie fera en sorte qu’un effort devra être fourni afin de
prendre un objet initialement immobile puis de lui donner du mouvement. À l’inverse, un effort devra être fourni afin
de prendre un objet en mouvement puis de l’amener à l’état immobile.
Le calcul de l’inertie d’un objet réside à faire par exemple l’évaluation de sa masse en tenant compte aussi de
l’emplacement de la matière. Prenons l’exemple d’un volant (flywheel) d’un moteur. Une des fonctions de cette
pièce est d’accumuler de l’énergie afin de faciliter la mise en mouvement d’un véhicule à l’arrêt. Si nous prenons 2
volants ayant une masse équivalente, il est fort à parier que leurs inerties seront toutefois différentes. D’origine,
nous verrons souvent des volants d’origine dont la masse est concentrée principalement vers le contour afin de
procurer un maximum d’inertie pour un minimum de poids.
25
Prenons un autre exemple, soit celui de deux véhicules de masses équivalentes, mais dont l’architecture est très
différente, tous les deux avec une distribution de masse de 50%/50% avant/arrière. Imaginons que le premier
véhicule possède un moteur à l’avant alors que la transmission ainsi que les composantes lourdes comme la
batterie se situe sur le train arrière. Nous pouvons retrouver ce type de configuration sur des berlines comme
certaines BMW. Maintenant, imaginons que le deuxième véhicule possède une configuration avec moteur en
position centrale comme nous retrouvons sur certaines Ferrari. Nous pouvons prédire avec certitude que la Ferrari
dans ce cas aura une inertie plus faible que la BMW. Au-delà des masses, leurs localisations ont un impact non
négligeable. La différence se fera sentir lorsque la voiture décrochera. Une voiture avec moins d’inertie risque
toutefois d’être plus facile à faire décrocher au moindre mouvement brusque du volant. En contrepartie, conduire
cette voiture en décrochage peut être plus facile car elle sera plus facile à ramener. C’est pourquoi les voitures à
moteur central ont la réputation d’être impitoyable, le volant doit être manipulé avec soin.
Dans un autre ordre d’idée, une roue peut être comparée à un gyroscope. Un gyroscope est un volant tournant sur
son axe dont il est difficile de faire changer la direction. Si nous prenons le cas d’une motocyclette, le fait d’aborder
un virage demande dans un premier temps de changer la direction de la roue. Le fait de virer à droite demande de
tourner la roue vers la gauche afin de déstabiliser la moto et la faire tomber du bon côté. C’est ce que l’on appelle le
contre-braquage. Ensuite, la roue doit se déplacer dans l’espace et s’incliner. Ainsi, il est important de concevoir une
moto avec les roues les plus légères possible afin de diminuer au maximum cet effet d’inertie que nous percevons
dans le guidon. En contrepartie, des roues légères rendent la moto moins stable à basse vitesse. Si vous imaginez
rouler par exemple à 200 km/h pendant 1 heure en ligne droite, le fait d’arriver à une vitesse de 50 km/h pourrait
donner l’impression que la moto est difficile à tenir en équilibre. En soi, c’est l’effet gyroscopique des roues qui
permet à un véhicule à deux roues d’être maintenu facilement en équilibre.
4.3
PRESSION
La pression est représentée par une force appliquée sur une surface. Si nous prenons une voiture de 1 000 kg et
que les pneus sont gonflés à 30 psi (psi est le diminutif de pound per square inch, soit livre par pouce carré), nous
pouvons donc estimer que la superficie des pneus en contact avec le sol est de :
Superficie = 1 000 kg x 2.2 lb/kg / 30 psi = 73.3 pouces carrés, soit une surface de 10 pouces par 7.33 pouces.
L’air que nous respirons est sous-pression. Cette pression est le fruit de la pression générée par l’accumulation en
hauteur de l’air au-dessus de notre tête. La pression de l’air moyen est de 101.3 kPa, soit de 14.7 psi au niveau du
sol. On dit aussi que cette pression correspond à 1 bar.
4.4
RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX
La science de la résistance des matériaux est vaste et à la fois d’une réalité très concrète. Bien entendu, l’étude de
la résistance des matériaux dépasse le niveau de ce manuel. Néanmoins, certains concepts de base doivent être
expliqués afin de s’assurer que nous ayons une vision commune. Dans ce manuel nous utiliserons certains termes
empruntés à cette science. Les termes les plus courants sont :
Contrainte : Une contrainte représente l’effort auquel est soumis un matériau. Cet effort est en fait une pression,
mais ici nous parlons de pression très importante de l’ordre de 200 MPa (30 000 psi) à plus de 1 700 MPa (250 000
psi). Cette explication est simpliste mais représente bien cette réalité. Le mot « contrainte » est toutefois mieux
indiqué, nous pouvons parler d’une contrainte en compression et en traction. Chaque matériau possède ses propres
caractéristiques, l’aluminium aura en général une capacité plus faible que l’acier par exemple. L’aluminium possède
bien souvent des propriétés intéressantes à l’état traité, toutefois, les opérations de soudure créeront une perte
importante des capacités mécaniques.
Traction : On dit qu’une pièce est en traction lorsque l’effet de la charge tend à tirer sur la pièce pour l’allonger, on
parle ainsi de contrainte de traction.
Compression : On dit qu’une pièce est en compression lorsque l’effet de la charge tend à pousser sur la pièce pour
la raccourcir, on parle ainsi de contrainte de compression.
.
Flexion : La flexion peut être représentée par une règle que l’on force à fléchir. Dans ce cas, la déformation
entraîne une contrainte en compression sur une surface alors que sur la face opposée on retrouve une contrainte de
traction. Quelque part dans la pièce, il y a ce que l’on appelle un axe neutre où les contraintes en flexion sont nulles.
Si la pièce est symétrique, l’axe neutre se retrouvera au centre de la pièce. La Figure 4-1 présente une image
simplifiée du phénomène de flexion. La figure de droite ne présente pas la réalité, en pratique, le rayon de courbure
varie constamment le long de l’élément. Dans cet exemple, les contraintes seront maximales à l’endroit le plus
26
éloigné de la force et nulle (si l’on omet le cisaillement) au point où la force est appliquée. Noter que la flexion est un
des modes de rupture les plus commun.
Figure 4-1, Flexion
Cisaillement : Le cisaillement représente l’effort qui tente de déchirer le matériel comme l’on retrouve dans un arbre
d’entraînement. Cet effort est créé par une torsion dans le matériel. La Figure 4-2 présente un élément soumis à
une contrainte pure de cisaillement créée par un effort de torsion. C’est le même phénomène que l’on retrouve dans
une barre antiroulis. Il faut néanmoins voir que dans le cas de la Figure 4-1 on retrouve aussi un effort de
cisaillement. En effet, la force pousse sur l’élément créant sa déformation en flexion, toutefois, l’élément voit un
effort tentant de déchirer l’élément vers le bas sur toute sa longueur. Noter que la capacité d’un matériau en
cisaillement est nettement plus faible que la capacité en traction.
Figure 4-2, Cisaillement
Élasticité : L’élasticité représente la déformation d’un matériau face à une certaine contrainte. Il y a beaucoup de
fausse perception concernant cette notion. Par exemple, tous les aciers possèdent une élasticité similaire tout au
long de leur déformation élastique. Cependant, passé une certaine limite, le matériau débute sa phase où il débute
sa déformation plastique, c'est-à-dire que la charge laisse une déformation permanente après avoir enlevé la
charge. Un acier allié de haute capacité sera apte à endurer une contrainte très importante sans se déformer
plastiquement (déformation permanente), toutefois, son coefficient d’élasticité est le même qu’un acier de faible
qualité. Il y a deux types d’élasticités, soit celle en traction/compression (normalement surnommé E), puis la rigidité
en torsion (normalement surnommé G). Le coefficient d’élasticité représente la rigidité du matériau.
Une fiche de spécification complète d’un matériau inclut beaucoup plus d’information que ce qui est cité ci-haut.
Nous pouvons parler de la sensibilité à la fatigue, de sa masse, de la chaleur spécifique, du coefficient de dilatation
thermique, etc.
L’aluminium est 3 fois plus flexible que l’acier alors que son poids est lui aussi 3 fois plus léger. Alors quel gain à
avoir un châssis en aluminium sur une moto? Premièrement, les composantes doivent avoir une épaisseur minimale
pour être fabriquées et manipulées. Dans un deuxième temps, et ici, c’est un peu compliqué, au-delà du matériel, un
aspect très important est sa disposition dans l’espace. On appelle cela l’inertie de surface. Le fait d’espacer deux
masses entraîne systématiquement un accroissement de la rigidité (ce qui est positif) et des contraintes (ce qui est
négatif). Dans un troisième temps, l’aluminium est un matériau formidable par sa facilité de mise en forme. On peut
le forger, le couler et encore plus intéressant, l’extruder. Un cadre de moto est fabriqué de plusieurs pièces faites
selon différents procédés selon le besoin.
Le titane est 2 fois plus léger et flexible que l’acier alors que ses performances mécaniques sont voisines aux aciers
légèrement trempés.
27
4.5
COEFFICIENT DE FRICTION
Définissons d’abord le terme friction. La friction est en fait la résistance au glissement. Si nous pressons une main
contre l’autre, plus cette pression sera forte et plus il nous sera difficile de faire glisser une main sur l’autre.
Le coefficient de friction quantifie la friction de façon indépendante à la pression qui est appliquée. Pour la même
pression entre nos deux mains, nous savons tous que si l’on met de l’huile sur nos mains, la friction sera plus faible.
Nous pouvons donc dire que lorsque nous avons de l’huile sur les mains, le coefficient de friction est plus faible que
lorsque nos mains en sont dépourvues.
Le symbole du coefficient de friction employé dans la littérature est généralement μ. Par définition :

Ff
F
Figure 4-3, Friction
Dans le cas de la Figure 4-3, la variable F pourrait être définie comme étant le poids du bloc et Ff comme étant la
force nécessaire pour vaincre la friction.
Il faut maintenant distinguer le coefficient de friction statique de celui dynamique. Un coefficient de friction statique
sous-entend qu’il n’y a pas de mouvement entre les surfaces en contact. Dans le cas du bloc mobile, si nous
appliquons une force Ff insuffisante pour que le bloc glisse, nous faisons appel à la friction statique. Lorsqu’il y a du
mouvement, il faut parler de friction dynamique.
Lorsque nous freinons avec notre voiture, les plaquettes de frein glissent sur le disque, c’est donc une friction
dynamique. Toutefois, lorsque nous arrivons à bloquer les roues, la friction devient statique.
Généralement, le coefficient de friction statique est plus élevé que celui dynamique.
Allons maintenant un peu plus loin. La friction est déterminée par la propension qu’ont deux surfaces à créer des
liens. Cette capacité est généralement indépendante à la superficie en contact. Pour le cas des freins d’une auto, si
nous appliquons une même force sur une plaquette deux fois plus grande qu’une autre, la friction (Ff) sera la même.
Il n’y aura pas de gain de friction avec une surface plus grande. Généralement, les coefficients de friction pour les
freins varie entre 0.1 et 0.8. Cependant, les pneus se comportent d’une façon hybride, c'est-à-dire que le coefficient
de friction est relativement constant peu importe la surface, mais qu’une surface plus grande favorisera toujours un
accroissement de friction, ou en d’autres termes, des pneus plus larges procure plus d’adhérence. Le pneu agit ainsi
un peu à la façon d’une colle. Dans le cas d’une colle, celle-ci pour supporter une charge sans même avoir une
force « F ». Une gomme tendre a naturellement une plus grande aptitude à se comporter comme de la colle alors
qu’un pneu à caoutchouc dure se comportera davantage avec un coefficient constant indépendant de la surface en
contact.
Lorsque le pneu roule normalement sur le pavé, le fait que le caoutchouc ne soit pas en glissement fait que le
contact est en fait de type statique.
4.6
QUELQUES ÉQUATIONS UTILES
Il y a certaines équations qui sont très utiles lorsque l’on parle de performance, dont les suivantes :
F=ma
Vf = a t + Vi
28
t = ( Vf – Vi ) / a
Vi = -a x t si Vf = 0
t = - Vi / a si Vf = 0
Vf = a x t si Vi = 0
t = Vf / a si Vi = 0
2
Df = a t / 2 + Vi t + Di
Df  2
si Vi et Di = 0
a
2
a = Df x 2 / t si Vi et Di = 0
t
Où :
F = Force en Newton
m = masse en Kg
2
a = accélération en m/s
Vf = Vitesse finale en m/s
Vi = Vitesse initiale en m/s
Df = Distance finale en m
Di = Distance initiale en m
t = temps en seconde
Exemple d’application :
Une voiture de course d’accélération parcourt une distance de 402.3 m en un temps de 6 secondes. Avec ces
données, il est possible de calculer l’accélération moyenne sur toute la distance à partir de l’équation «a = Df x 2 /
2
t »:
a
2
= Df x 2 / t
2
= 402.3 m x 2 / 6
2
= 22.35 m/s
Soit 22.35 / 9.81 = 2.28 G
Soyons clair, une accélération de 2.28 G demande un coefficient de friction entre le pneu et le pavé de 2.28 si tout
le poids de l’auto s’est déplacé sur les roues motrices. De plus, cette accélération est une moyenne, cela dit, la
pointe d’accélération sur les premiers 100 m est supérieur. Incroyable…
29
5
Le rapport de compression d’un moteur est très important. En effet, il influence le rendement thermique du moteur.
Le rendement peut être défini comme l’énergie sortant du moteur par rapport à l’énergie entrante. L’énergie entrante
est l’essence tout simplement. L’énergie sortante peut être représentée par la puissance du moteur sur une période
de temps. Dans le système métrique, la puissance est déterminée par l’unité de Watt qui a son équivalent dans les
HP avec une règle simple de conversion des unités. L’énergie est quant à elle déterminée par les Joules (J). On
reparlera de ces Joules dans la section allumage du manuel. Lorsqu’on fournit une puissance de 1 Watt sur une
période d’une seconde, nous avons fourni une énergie de 1 Joule. Par définition, 1 Watt équivaut à 1 Joule par
seconde.
Mais revenons au rendement du moteur. Le taux de compression influence le rendement thermique. Comme nous
l’avons vu précédemment, le moteur 4 temps à allumage par bougie est représenté par le cycle théorique d’Otto. La
Figure 5-1 donne la courbe du rendement thermique. La courbe donne clairement le potentiel de l’augmentation du
rendement d’un moteur à mesure que le rapport de compression augmente. Évidemment, il faut prendre cela avec
des pincettes, ces valeurs sont théoriques, et au mieux, le rendement d’un moteur n’atteint guère 35 % (au mieux,
dans la zone d’utilisation optimale) alors que le graphique suppose qu’avec un rapport de compression de 11 :1, le
rendement serait de 62 %, nous sommes loin du compte.
Ce qui peut être par contre très intéressant est de voir l’effet sur la puissance si nous augmentons le rapport
volumétrique d’un moteur. Prenons un moteur de 100 HP, ayant un rapport volumétrique de 9 :1 (rendement de
58.5 %), et augmentons le rapport volumétrique à 11 :1 (rendement de 61.7 %), nous pourrions espérer obtenir une
puissance de 100 HP x 61.7 % / 58.5 %, soit une puissance 105.5 HP, et cela, sans aucun autre changement au
moteur. Encore une fois, ces valeurs sont théoriques.
Rendement thermique (Et)
Rendem ent therm ique théorique versus rapport de com pression
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Taux de compression (R)
Figure 5-1, Rendement thermique théorique du cycle d’Otto
Ce qui est très clair est que les manufacturiers tentent d’augmenter le rapport volumétrique de leurs moteurs pour
en augmenter les performances et aussi réduire la consommation d’essence. Théoriquement, cela semble facile
d’augmenter le rapport de compression, mais en pratique cela devient un peu plus complexe. Cette difficulté est
causée par le fait que la température du mélange contenu dans le cylindre augmente. Le mélange peut tout
simplement s’auto-enflammer. En effet, lors du phénomène d’auto-allumage, le mélange s’enflamme par lui-même
alors que le piston n’est pas encore au point mort haut, causant un cliquetis. Par conséquent, le taux de
compression maximal est déterminé par le fait que la détonation est à éviter. En pratique, le mélange peut tout de
même s’enflammer à l’aide de la bougie, mais la propagation de l’explosion se fera trop rapidement causant le
même effet. Pour atténuer le potentiel d’auto-allumage, plusieurs solutions sont disponibles :
-
Utilisation d’essence à indice d’octane plus élevé;
Réduction des points chauds dans la chambre de combustion;
Réduction de l’avance de l’allumage;
Utilisation de bougie plus froide;
Réduction de la température de l’air entrant dans le moteur;
30
-
Diminution du rapport volumétrique
Augmentation de la durée des arbres à cames;
Modification du calage des arbres à cames.
Ces points seront discutés tout au long de ce manuel dans différentes sections.
Nous avons abordé le rapport de compression sans vraiment le définir précisément. C’est très simple, lorsque la
soupape d’admission est ouverte, l’air à la pression atmosphérique vient emplir l’espace qui inclut le volume de la
chambre de combustion et du volume du cylindre. Lorsque la compression est achevée et que le piston est au point
mort haut, tout le volume est concentré dans la chambre de compression. Le rapport entre ces deux volumes donne
le rapport volumétrique.
Définissons que :
Vc = Volume de la chambre de combustion
Vmc = Volume du cylindre
Le rapport volumétrique est :
R = (Vc + Vmc) / Vc
Lorsqu’on désire augmenter le rapport volumétrique sur un moteur, il faut diminuer le Vc. De l’équation précédente,
on peut isoler Vc :
Vc = Vmc / (R – 1)
Prenons un moteur 4 cylindres dont la cylindrée du moteur est de 2 litres, soit 2 000 cc, avec un rapport
volumétrique de 10 :1, et qu’on désire augmenter le rapport à 11 :1.
Calculons d’abord le Vc du moteur avant modification :
Vc = Vmc / (R – 1) = (2 000 / 4) / ( 10 – 1) = 55.6 cc.
Calculons maintenant le Vc du moteur après modification :
Vc = Vmc / (R – 1) = (2 000 / 4) / ( 11 – 1) = 50.0 cc.
Afin d’augmenter le rapport volumétrique de 10 à 11 :1, il est nécessaire de réduire Vc de 55.6 – 50.0 cc = 5.6 cc.
Pour réduire le Vc, il y a quelques solutions possibles, soit :
-
Installer des pistons avec un dôme plus prononcé;
Réduire le volume de la chambre de combustion dans la culasse;
Réduire la hauteur du bloc;
Diminuer l’épaisseur du joint de culasse;
Allonger les bielles.
De ces solutions, toutes ne sont pas viables économiquement, ou entraînent des problèmes d’intégration des
composantes. L’expérience la plus radicale que j’ai faite alors que j’étais fauché a été d’usiner le dessus des pistons
pour les mettre plats alors qu’ils étaient concaves, de couper les cylindres afin que le dessus des pistons arrive au
sommet des cylindres, puis finalement d’usiner les culasses afin de réduire le volume des chambres de combustion.
Le rapport volumétrique de départ était de 8 :1, et le résultat était de 11 :1.
En pratique, si vous mesurez le rapport volumétrique, vous pourrez noter que votre mesure ne correspond pas à la
valeur des données techniques de votre moteur. Je ne parierais pas sur cela, mais jusqu’à maintenant, toutes les
mesures que j’ai prises ont toujours été plus basses que les valeurs des données techniques. Je n’ai évidemment
pas une expérience concrète sur des tas de moteurs, mais je dirais que j’en ai mesuré environ une quinzaine, dont
faisaient partie des moteurs de moto de type « racer », des moteurs automobiles de Honda, de Renault, de Toyota
etc. Toutefois, il semble y avoir une constance, la différence de ratio s’explique par le potentiel d’accumulation de
carbone sur les pistons, et mes mesures ont toujours laissé croire que les manufacturiers se donnaient une marge
de .5 à 1 mm d’accumulation de carbone qui a l’effet de réduire le volume de la chambre de combustion.
31
5.1
MESURE DU RAPPORT DE COMPRESSION
En raison du fait que je ne fais pas confiance aux données techniques des moteurs, je mesure généralement le
rapport de compression des moteurs que je prépare. La méthode est simple, et demande peu de matériel. Le
matériel requis se limite aux pièces du moteur, un plastique transparent, de l’eau, et une seringue. Idéalement, la
seringue serait de bonne qualité, et ayant une capacité de 50 ml. Soit dit en passant, 50 ml égale 50 cc. Trouver la
seringue demande toutefois un peu de recherche, normalement, je demande directement au pharmacien, et la
réaction est toujours à peu près la même, « pourquoi si grosse? », « avez-vous un problème de consommation de
drogue? » et j’en passe. C’est somme toute assez comique.
Reprenons la formule :
R = (Vc + Vmc) / Vc
Nous connaissons Vmc, la cylindrée par cylindre. Il faut donc trouver Vc :
Vc = Vt + Vpc + Vj
Où :
Vt = Volume de la chambre de combustion de la culasse
Vpc = Volume de la chambre de combustion dans le cylindre
Vj = Volume du joint de culasse
Les sous-sections suivantes donnent une façon de mesurer chacun des volumes. Une fois que vous avez le rapport
de compression mesuré, vous devez vous demander ce que vous désirez obtenir. Ce n’est pas toujours simple de
savoir ce qu’on peut faire.
5.1.1
MESURER Vt
La Figure 5-2 montre une chambre de combustion recouverte d’un plastique transparent dans lequel un petit trou a
été fait. Afin d’éviter les fuites d’eau, je mets un peu de graisse entre le plastique puis la culasse. En appuyant sur le
contour de plastique, il faut injecter de l’eau à l’aide de la seringue. Le volume d’eau inséré dans la chambre est le
volume Vt recherché. Normalement, un moteur préparé devrait avoir le même volume pour chaque cylindre, et si
certaines chambres ont un volume plus faible, il faut leur enlever du matériel afin d’obtenir le volume de la plus
grande chambre.
Figure 5-2, Mesure de Vt
5.1.2
MESURER Vpc
La mesure de Vpc est un peu plus subtile. Le problème provient du fait que le volume recherché est souvent négatif
et que le piston dépasse souvent le cylindre. La mesure doit se faire de façon indirecte.
Dans un premier temps, il faut obtenir la valeur de “A1” telle que montrée à la Figure 5-3. La position du piston
correspond au point mort haut, soit la hauteur maximale dans le cylindre. Prenez en note cette valeur en millimètre.
Si le piston dépasse le cylindre, retenez cette valeur comme étant négative.
Dans un deuxième temps, il faut placer le piston afin que toute surface du piston soit plus basse que le dessus du
cylindre. Prenez la mesure “A2” et notez la valeur en millimètre. Afin d’assurer une étanchéité, placez le piston plus
bas que désiré, mettez un peu de graisse sur la paroi du cylindre près du piston, puis montez le piston à la position
désirée. Enlever le surplus de graisse.
32
Finalement, placez le plastique sur le dessus du cylindre comme vous l’avez fait pour la culasse (voir Figure 5-4),
puis insérez de l’eau à l’aide de la seringue. Notez le volume comme étant “C”.
Figure 5-3, Mesure de la position haute et intermédiaire du piston
Le volume Vpc se trouve alors par calcul basé sur les mesures précédentes :
2
Vpc = “C” – (B x .0007854 x (“A2” – “A1”) )
(.0007854 = pi / 4 / 1000 )
Exemple:
Prenons les mesures :
“C”
“A1”
“A2”
“B”
= 15.5 ml = 15.5 cc
= -.25 mm (valeur négative signifiant que le piston dépasse le cylindre)
= 6.13 mm
= 79 mm (“B” correspond au diamètre du piston)
Vpc
= “C” – (B x .000785 x (“A2” – “A1”) )
2
= 15.5 – (79 x .000785 x (6.13 – (-.25) ) )
2
= 15.5 – (79 x .000785 x 6.38)
= 15.5 – 31.26
= -15.76 cc
2
Figure 5-4, Mesure du volume intermédiaire
Dans cet exemple, Vpc est négatif, indiquant que lorsque le piston est au point mort haut, le dôme du piston réduit
l’espace dans la chambre de combustion.
5.1.3
MESURER Vj
La mesure de Vj peut devenir assez difficile, j’ai honnêtement davantage tendance à le calculer. Il faut simplement
mesurer l’épaisseur du joint (disons “A3”) en millimètre, idéalement, utilisez un vieux joint ayant déjà été installé afin
d’avoir l’épaisseur une fois déformée. Le calcul est le suivant :
Vj
2
= B x .0007854 x “A3”
(.0007854 = pi / 4 / 1000 )
33
5.2
CHOISIR LE BON RAPPORT DE COMPRESSION
Certains diront que cette question est la question qui tue, comment choisir le bon rapport volumétrique? La réponse
est presque impossible à répondre. J’ai tendance à modifier le moteur pour au moins obtenir le rapport de
compression des données techniques si je pense que mon moteur n’accumulera jamais de carbone sur les pistons.
Et s’assurer qu’il n’y a jamais de carbone sous-entend un moteur qui aura une vie remplie d’émotion, ainsi que des
démontages assez fréquents.
Le bon rapport de compression dépend de bien des facteurs. Je crois qu’il faut voir les pièces qui sont disponibles
pour votre moteur, et tenter de comprendre ces choix en discutant avec des spécialistes de votre moteur.
En général, avec l’essence disponible à la pompe, on parle d’un rapport volumétrique entre 10 et 11.5 pour un
moteur atmosphérique. À une certaine époque (au début des systèmes anti-pollution), on pouvait voir des moteurs
avec des rapports de compression de 8, c’est très bas. Il n’y a généralement pas de grand risque à augmenter le
rapport à 10. Si vous comptez avoir un rapport volumétrique au-dessus de 12, et ce, quel que soit le type de moteur
que vous avez, il vous faudra un carburant ayant un indice d’octane plus élevé que ce qu’on retrouve à la pompe.
Personnellement, j’ai tendance à avoir une approche prudente sur le choix du rapport volumétrique. Le fait
d’augmenter inutilement le rapport de compression peut apporter plus de soucis que de satisfactions liées à
l’augmentation de puissance.
Les moteurs turbo gagnent à avoir un rapport de compression aux alentours de 8 si vous comptez mettre une
pression de suralimentation élevée. Pour les moteurs à compresseur volumétrique, un rapport de compression entre
9 et 10 est généralement le bienvenu. Ceci s’explique par le fait que bien souvent on pourra avoir une pression de
suralimentation plus élevée sur un moteur turbo. En gros, pour avoir une puissance maximale pour un moteur
suralimenté, il est toujours avantageux d’avoir un rapport de compression faible et une pression de suralimentation
le plus élevé possible. Dans les années folles (années ’80) des moteurs turbo en Formule 1, on pouvait voir des
rapports de compression aussi bas que 6.5 :1.
En règle générale, vous pourrez penser à augmenter le rapport de compression si :
Vous installez des arbres à cames plus agressifs ayant plus de durée d’ouverture;
Vous prévoyez mettre de l’essence à indice d’octane plus élevé;
Vous améliorez la chambre de combustion en réduisant les points chauds;
Vous vous assurez qu’il n’y a pas d’accumulation de carbone;
Vous améliorez le refroidissement de pistons;
Vous augmentez la turbulence dans la chambre de combustion;
Vous installez un système d’injection d’eau/méthanol;
Vous installez des culasses en aluminium au lieu de fonte de fer.
-
En règle générale, vous pourrez penser à diminuer le rapport de compression si :
-
Vous installez des arbres à cames moins agressifs;
Vous installez un système de suralimentation tel qu’un turbo ou un compresseur;
Comme vous l’avez notée, le choix de l’arbre à cames influence le niveau de compression qui est acceptable. Ceci
est le fait de l’ouverture des soupapes sur des périodes très longues au-delà des positions de points morts. En
autre, un arbre à cames avec beaucoup de chevauchement provoquera une perte de compression.
5.3
TEMPÉRATURE DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION
Lorsque la soupape d’admission s’ouvre, l’air s’y insère. En phase de compression, le mélange dans le cylindre se
comprime. De cette compression résulte une augmentation de température. L’opposé est aussi vrai, lorsqu’un gaz
se détend, la température baisse. Vous l’avez possiblement remarqué lorsque vous utilisez un outil pneumatique.
Le rapport de compression influence la température résultante de la température. L’augmentation en température
est :
dT = (R
.28
-1) x Tadmission
Dans ces calculs, il faut toujours ramener les températures en température absolue. Le 0 Celsius n’est pas un zéro
absolu, et comme nous le savons tous, il peut faire plus froid. Zéro Celsius est par définition le point de congélation
de l’eau. Dans les faits, il y a une température limite où il n’est plus possible d’atteindre une température plus basse.
34
Cette température correspond à une température de -273 Celsius, que l’on nomme 0 Kelvin. Donc, lorsqu’on dit qu’il
fait 20 Celsius, il fait 293 Kelvins.
La température dans la chambre de combustion ne devrait pas dépasser les 600 Kelvin, après cette température,
les risques d’auto-allumage augmentent. Mais ici encore, les caractéristiques du moteur peuvent changer cette
limite qui peut être plus faible ou plus élevée. L’essence sans plomb régulier a une température d’allumage
d’environ 575 Kelvins (300 Celsius), alors qu’au mieux l’essence super peut avoir une température d’allumage allant
jusqu’à 675 Kelvins (400 Celsius). L’ajout d’additif d’octane peut augmenter cette limite.
Augmentation de la température causée par la compression
(Tadmisison = 30 Celsius)
Augmentation de la température
(C, K)
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
Rapport de compression (R)
Figure 5-5, Augmentation de la température causée par la compression
À partir de la Figure 5-5 nous pouvons voir que si le moteur à un rapport volumétrique de 12 :1, fonctionnant avec
une température d’admission de 30 Celsius, la température dans la chambre de combustion sera de :
(30 + 273) + 305 = 608 Kelvin.
La température d’admission n’est pas constante et n’est pas nécessairement la température ambiante extérieure.
Pour les moteurs suralimentés (à admission forcée), l’air à l’entrée du cylindre est un air qui a été réchauffé suivant
le même phénomène de la compression des gaz que nous venons de voir. Il en sera question dans la section 6.2.1.
5.4
MODIFICATION DU RAPPORT DE COMPRESSION
Votre choix du rapport de compression est fait, il s’agit maintenant que de faire les modifications requises pour
atteindre la valeur que vous désirez. Tel que mentionné précédemment, vous avez plusieurs façons d’atteindre le
rapport de compression désiré, qui se résume aux options suivantes :
-
Installer des pistons avec un dôme plus prononcé;
Réduire le volume de la chambre de combustion dans la culasse;
Réduire la hauteur du bloc;
Diminuer l’épaisseur du joint de culasse;
Allonger les bielles.
Tout d'abord, il faut classer les options en fonction de leur faisabilité. Disons que l’option de la diminution de
l’épaisseur du joint de culasse est possible, mais ce serait vraiment ma dernière option, moi qui préfère
normalement utiliser les joints de culasse d’origine. Allonger les bielles est un choix technologiquement très facile,
mais demande de se faire fabriquer des pièces sur mesure. Les pièces disponibles sur le marché sont
généralement des équivalences des pièces d’origine. Il faut noter qu’il est toutefois facile de faire réduire légèrement
la longueur de bielles existantes.
Réduire la hauteur du bloc pour augmenter le rapport volumétrique est tout à fait possible, bien que peu courant. En
général, cette méthode est non souhaitable, car le dessus du piston risque de monter trop haut dans le cylindre. En
général, on tente de maintenir constante la distance entre la culasse et le pourtour du piston qui est en général
d’environ 1 mm.
35
Lorsqu’on souhaite augmenter le rapport volumétrique d’une valeur relativement faible de l’ordre de 1 tout en
utilisant les pistons d’origines, on peut évidemment enlever du matériel sur la culasse. Cette méthode est très
populaire, mais les moteurs ayant les arbres à cames en tête demandent un recalage de ces derniers. La diminution
de hauteur de la culasse entraine un retard des arbres à cames de l’ordre de :
Retard (degré) = Épaisseur de matériel enlevé x 720 / (nombre de dents x centre-centre des maillons)
Le calcul de l’épaisseur à enlever devient un peu plus approximatif que pour l’usinage le bloc. Si l’on remarque la
chambre de combustion représentée à la Figure 5-6, on remarque que la surface de la chambre de combustion est
plus faible que la surface du cylindre. Il faut donc faire une approximation du pourcentage de la surface efficace. Ce
pourcentage peut varier entre 100 % et 60 %. Il faut d’abord faire l’approximation du pourcentage de surface
efficace. Le calcul est ensuite très similaire au calcul précédent :
Figure 5-6, Chambre de combustion d’une culasse
2
Vc final = Vc initial – B x .0007854 x Épaisseur de matériel enlevé (mm) x pourcentages surface efficace
R final = (Vmc + Vc final) / Vc final
Si vous avez choisi d’abord le rapport de compression :
Vc final = Vmc / ( R final – 1)
2
Épaisseur de matériel à enlever = (Vc initial – Vc final) / ( B x .000785 x pourcentages surface efficace)
Exemple : Prenons un moteur 4 cylindres de 1796 cc, avec un rapport volumétrique de 10.35 (R initial) ayant un
alésage de 82 mm (B), et dont le pourcentage de surface efficace est estimé à 85 %. On désire augmenter le
rapport de compression à 11.5 (R final).
Vc initial
= Vmc / (R – 1)
= (1796/4) / (10.35-1)
= 48.02 cc
Vc final
= Vmc / ( R final – 1)
= (1796/4) / (11.5-1)
= 42.76 cc
Épaisseur de matériel enlevé
2
= (Vc initial – Vc final) / ( B x .000785 x pourcentage surface efficace)
2
= (48.02 – 42.76) / (82 x .000785 x .85)
= 5.26 / 4.487
= 1.17 mm
La valeur de 1.17 mm est l’épaisseur qu’il faut enlever à la culasse pour atteindre le rapport de compression de
11.5 :1. Il faut se rappeler qu’un changement de l’épaisseur de la culasse influencera la synchronisation des arbres
à cames, et réduit le jeu entre les soupapes et les pistons. Sur le moteur en exemple, soit un moteur 2ZZ de Toyota,
je sais que le jeu est insuffisant entre les soupapes d’admission (sur la came de longue levée, avec avance en
position maximale) pour réduire le jeu de cette valeur. Cette solution n’est pas envisageable tel quel sans d’autres
modifications. Nous y reviendrons plus loin dans le manuel.
36
La dernière option pour augmenter le rapport de compression est de tout simplement de changer les pistons par des
pistons ayant un dôme plus prononcé. Cette solution est de loin la plus élégante, mais peut devenir relativement
dispendieuse. Nous y reviendrons dans le chapitre 9.
5.5
CARBURANT
Le choix du carburant influence le niveau de performance ainsi que plusieurs composantes. Par exemple, si vous
utilisez du méthanol qui demande plus de carburant que l’essence pour le même volume d’air, assurément, la
pompe de carburant devra pouvoir fournir un débit plus important.
Il faut donc distinguer le niveau d’énergie que l’essence est capable de produire d’avec l’indice d’octane. L’indice
d’octane ne crée pas un carburant plus puissant. Si l’on prend de la nitroglycérine utilisée pour les bombes, on
comprend que son indice d’octane doit être très bas en raison de son instabilité, et pourtant très énergique. L’indice
d’octane est une façon de caractériser la capacité ou plutôt la non-capacité à ne pas s’auto enflammée. L’indice
d’octane permet d’augmenter le rapport de compression. L’indice d’octane peut être indiqué selon deux normes, soit
la RON, ou la MON. Normalement, la norme RON est utilisée pour indication à la pompe.
On appelle la capacité calorifique l’énergie contenue dans le carburant. L’essence a une énergie calorifique
supérieure au méthanol, mais demande beaucoup moins de masse de carburant par masse d’air défini comme le
point stœchiométrique. Ce résultat, comme on le verra plus loin, provoque que le méthanol puisse finalement
produire plus de puissance. La capacité calorifique est exprimée en Btu/livre dans le système d’unités impérial.
Si vous faites des recherches, vous aurez bien souvent de la difficulté à trouver les caractéristiques des carburants
mis en vente. Par exemple, le manufacturier ELF vantera leur produit, donnera les indices d’octane, parfois l’AFR,
mais je vous souhaite bonne chance pour trouver la capacité calorifique, pourtant, c’est elle qui vous indique la
puissance que serez apte à obtenir.
Capacité
Chaleur
Température
calorifique
spécifique
d’ignition
MJ/kg
J/kg.C
C
Essence ordinaire
.72 … .78
91/82.5
14.7
41.2 – 41.9
2005
300 environ
Essence Super
.72 … .78
95/85
14.7
40.1 – 41.6
2005
400 environ
Essence Super Plus
.72 … .78
98/88
14.7
ND
2005
ND
Essence d’avion
.72
ND
ND
43.5
2005
500 environ
Éthanol
.79
108 - 115
9
29.0
2381
420
Méthanol
.79
105 - 115
6.4
22.7
2507
450
Table 5-1, Caractéristiques de différents carburants, valeurs approximatives, non vérifiées
Carburant
Poids (kg/l)
RON/MON
AFR
Le rapport AFR (Air Fuel Ratio) est le rapport de masse entre l’air et le carburant. Bien souvent, l’AFR auquel le
moteur sera ajusté est plus riche que le rapport théorique d’un bon 10 à 15 %.
La chaleur spécifique représente l’énergie en Joule requise pour augmenter la température d’un kg d’un degré
Celsius.
Les calculs dans ce manuel réfèrent toujours à l’essence, ainsi, si vous pensez utiliser un autre carburant, il faudra
prendre des valeurs de correction.
Si vous pensez prendre du méthanol, la puissance pourra augmenter même si la capacité calorique est plus faible.
Ceci est dû au fait que l’AFR compense la capacité plus faible du méthanol. Prenons l’exemple d’un moteur à
essence de 100 HP, avec un réglage de l’AFR à la valeur théorique de 14.7. La puissance avec du méthanol pourra
donc être de : 100 * 14.7 / 6.4 * 22.7 / 41 = 127 HP. Néanmoins, la pompe à essence devra débiter un débit plus
important, soit de 14.7 / 6.4 = 2.29, donc 2.29 fois plus de carburant. Même rapport pour les injecteurs.
37
6
ADMISSION
L’admission se charge de gérer ce qui entre en air et en essence dans le moteur. Un moteur nécessite un mélange
fait à l’intérieur de certains paramètres afin d’obtenir une combustion efficace en terme de puissance et de pollution.
Un moteur nécessite un mélange air – essence dont se charge de faire le système injection ou le carburateur.
Il y a une perception populaire qui dit que de faire des ajustements aux mélanges est une modification. En pratique,
c’est seulement un réglage, il peut y avoir de petits gains possibles en puissance, mais augmenter la quantité
d’essence peut aussi réduire la puissance.
Le mélange air – essence se mesure en fonction d’un ratio. Ce ratio se situe près du point stœchiométrique qui est
fonction du type de carburant. On verra souvent écrit le ratio air – essence selon l’abréviation AFR (Air Fuel Ratio).
On utilise souvent le terme Lambda qui lui donne l’AFR relativement au point stœchiométrique. Cette façon est
parfois plus simple, car l’AFR idéal change en fonction du type de carburant, alors que le Lambda donne le mélange
en fonction du point stœchiométrique.
Un mélange ayant un Lambda plus faible que .75 est considéré comme riche. Un mélange ayant un Lambda
supérieur à 1.12 est considéré pauvre.
AFR
Lambda Essence
Méthanol
Éthanol
1.08
15.81
6.99
9.71
1.04
15.22
6.73
9.35
1.00
14.64
6.47
8.99
0.96
14.05
6.21
8.63
0.92
13.47
5.95
8.27
0.88
12.88
5.69
7.91
0.84
12.29
5.44
7.55
0.80
11.71
5.18
7.19
0.76
11.12
4.92
6.83
0.72
10.54
4.66
6.47
Table 6-1, Table Lambda versus AFR
L’enjeu devient rapidement de mesurer la valeur Lambda qui correspond à l’ajustement de votre moteur, et de
savoir la valeur Lambda que vous devriez avoir, et ensuite de faire les ajustements nécessaires.
La façon de mesurer le Lambda la plus simple est d’installer une jauge AFR sur votre ligne d’échappement, voir la
section 7.4 de ce manuel pour plus de détail. Une autre méthode consiste à interpréter la couleur des bougies, mais
ici cela devient un art.
Pour les ajustements, il est nécessaire de faire varier soit le volume d’air, ou soit le volume d’essence injecté dans la
chambre de combustion.
Plus le mélange est pauvre et plus on obtiendra une économie d’essence. Toutefois, il faut s’attendre à ce que la
chaleur de combustion soit plus élevée. Une voiture à moteur atmosphérique sera souvent ajustée pour avoir un
Lambda entre .92 et 1.00. Un moteur à admission forcé sera quant à lui ajusté plus riche soit avec un Lambda entre
.78 et .84 à plein régime avec l’accélérateur à fond. Dans tous les cas, le Lambda sera ajusté près de 1 lorsque le
moteur fonctionne au ralenti ou avec peu de charges. Seul un ajustement sur un dynamomètre donnera une
indication précise sur le meilleur Lambda à obtenir pour avoir une puissance optimale.
Une autre chose à savoir est qu’un moteur atmosphérique se fait remplir par la pression atmosphérique. De ce fait,
on peut souhaiter que les soupapes soient ouvertes suffisamment de temps pour remplir en air les cylindres. En
pratique cela varie. Le premier souhait est en effet de permettre le plein remplissage des cylindres, et cela ne sera
jamais possible à tous les régimes. Toutefois, avec la dynamique des fluides, on verra plus loin que cette
dynamique peut nous rendre service, et permettre un remplissage au-delà de 100%. Il faut voir cela comme un
liquide qu’on lance, cette lancée tendra à ne pas s’arrêter immédiatement. De plus, on peut compter sur une
certaine capacité d’aspiration du système d’échappement pour bonifier davantage de cette aptitude des fluides.
38
Le taux de remplissage en air des cylindres varie en fonction du régime du moteur. On parle généralement de
l’efficacité de remplissage. De manière idéale, on souhaite qu’un maximum d’air puisse entrer dans le moteur pour
une puissance optimale. Certains moteurs atmosphériques parviendront à atteindre un taux de remplissage de plus
de 100% à certains régimes spécifiques. En regardant bien la courbe de couple de votre moteur, le taux de
remplissage est maximal environ au régime où le couple atteint son maximum. Lorsque la courbe de couple chute,
cela indique que le taux de remplissage diminue et devient nettement en dessous de 100%. Au régime où la
puissance devient maximale, le taux de remplissage aura probablement chuté à un taux compris entre 70 et 85%.
6.1
INJECTION
Les systèmes injections utilisent un ou plusieurs injecteurs pour acheminer l’essence dans le volume d’air. Les
premiers systèmes d’injection étaient mécaniques, mais aujourd’hui on retrouve presque uniquement des systèmes
électroniques pour la gestion des injecteurs.
Depuis un certain temps, on retrouve d’origine des systèmes qui fonctionnent en boucle fermée. Un système en
boucle fermé ajuste en permanence le volume d’essence injecté afin d’obtenir le point de Lambda désiré. Dans ce
cas, l’ordinateur de contrôle du moteur, généralement appelé ECU (Engine Control Unit), apprend et corrige le débit
d’essence. La section 16.1 traite plus en détail des choix d’ECU et des modifications possibles.
En compétition, on préfère souvent fonctionner avec un système en boucle ouverte où l’ECU ne tient pas en compte
la lecture du Lambda. Cette façon de faire demande de passer davantage de temps sur un dynamomètre, ne
permet pas de contrer certains facteurs extérieurs liés à l’environnement par exemple, mais demeure une solution
plus fiable en ne demandant pas de lecture d’une composante telle que la sonde d’oxygène.
L’ajustement des paramètres d’un système d’injection peut devenir très complexe, mais le potentiel est presque
sans limites, pouvant passer outre certains problèmes de conception du système d’échappement par exemple. Il est
toujours préférable d’utiliser un spécialiste pour les ajustements, et de partir d’un programme éprouvé pour un
moteur similaire.
6.1.1
FONCTIONNEMENT D’UN INJECTEUR
Un injecteur est en fait un atomiseur d’essence commandé par l’ECU. Lorsque l’ECU commande de laisser passer
de l’essence, l’ECU fait passer un courant électrique dans la bobine contrôlant l’ouverture de la valve à l’intérieur de
l’injecteur. Lorsque la valve s’ouvre, la pression de la pompe à essence pousse l’essence à travers l’ouverture faite
au bout de l’injecteur.
Figure 6-1, Injecteur d’essence
L’ouverture au bout de l’injecteur est critique, c’est lui qui contrôle la qualité de pulvérisation de l’essence dans l’air.
Afin d’obtenir une meilleure performance et un bon contrôle du régime ralenti du moteur, la pulvérisation doit être
très fine.
Au ralenti et au bas régime, l’injecteur injecte seulement de l’essence lorsque la soupape d’admission est ouverte,
cela se passe très rapidement. L’ouverture des injecteurs est donc séquentielle et synchronisée avec la position
précise du vilebrequin. Au ralenti, le débit demandé est beaucoup plus faible, mais la pulvérisation est
particulièrement critique. À partir d’un certain régime, les injecteurs se mettent à injecter de l’essence sur une
période plus longue dépassant la période de temps où les soupapes d’admission sont ouvertes. Évidemment, sur ce
39
mode la pulvérisation d’essence n’est pas aussi bien partagée avec l’air, toutefois le débit d’air devenu important
permet de bien mélanger le tout.
On retrouve sur le marché deux types d’injecteurs :
-
Saturé ayant une impédance élevée, activé par le voltage. La résistance peut être de l’ordre de 12 à 16
ohms. Leur réponse est un peu plus lente ce qui limite leur zone d’opération. Le courant électrique requis
peut être de l’ordre de 1 à 1.5 ampères.
-
Sommet-et-maintien (Peak-and-hold) ayant une faible impédance, activé par le courant. La résistance
peut être entre .5 et 6 ohms. Ce type d’injecteur réagit plus rapidement, mais consomme davantage de
courant électrique. Le courant électrique requis peut être de l’ordre de 2 à 3 ampères.
L’ECU est fait pour fonctionner avec un type spécifique d’injecteur. Il ne faut jamais remplacer un type d’injecteur
par un autre type. Le remplacement d’un injecteur par un autre type peut abimer l’ECU.
6.1.2
LOCALISATION DES INJECTEURS
Un système à un seul injecteur est un système d’injection où l’injecteur est localisé directement sur le corps principal
du module de papillon. Ces systèmes sont relativement simples et fonctionnent un peu à la manière d’un système à
carburateur. L’essence est injectée à différents moments au cours d’un cycle. Bien que ces systèmes sont moins
évolués que les systèmes multipoints, leurs performances en terme de puissance sont similaires aux systèmes
multipoints. Leur manque de subtilité les rendent moins propices à être conforme aux normes antipollutions.
Figure 6-2, Système d’admission multipoint
La Figure 6-2 présente un système d’injection de type multipoint où les injecteurs sont localisés directement dans la
tubulure d’un cylindre spécifique, généralement le plus près possible de la soupape. Ces systèmes procurent un
meilleur contrôle des temps d’injection d’essence, et demandent de ce fait une gestion plus poussée de la position
du vilebrequin. De plus, l’injecteur étant très près de la soupape, l’injecteur peut projeter une fine quantité de
carburant plus tardivement dans le cycle d’injection lorsque le moteur fonctionne au ralenti.
Figure 6-3, Système d’admission avec deux injecteurs
La Figure 6-3 montre une disposition de deux injecteurs dans la tubulure d’admission. On retrouve ce type de
configuration sur des moteurs particulièrement performants. Comme mentionné dans la section traitant du
fonctionnement d’un injecteur, ce dernier doit pouvoir s’accommoder de pulvériser l’essence le plus finement
possible au ralenti, puis de fournir une quantité importante d’essence à plein régime. Pour les moteurs à très grande
puissance ayant des régimes de révolution très élevés, il peut devenir nécessaire d’utiliser deux injecteurs, dont le
premier permet de pulvériser très finement l’essence dans les régimes inférieurs, alors que le deuxième entre en
40
action à plus haut régime. L’injecteur d’appoint est localisé plus loin à l’entrée de la tubulure afin d’améliorer la
pulvérisation dans l’air. On retrouve différentes variantes d’arrangements à deux injecteurs sur les moteurs de moto
de haute performance.
6.1.3
AJUSTEMENT DU DÉBIT D’ESSENCE
Le volume d’essence est contrôlé par le temps d’ouverture de l’injecteur. Le temps d’ouverture multiplié par le débit
de l’injecteur donne le volume.
Volume = débit x temps
Lorsqu’on ajuste l’AFR d’un moteur, le contrôle se fait simplement en ajustant le temps d’ouverture de l’injecteur.
Toutefois, le temps d’ouverture de l’injecteur est limité, et à partir d’un moment, la seule façon d’augmenter le
volume d’essence est de remplacer l’injecteur par un injecteur de débit supérieur, ou d’augmenter la pression de
l’essence.
Pour les systèmes multipoints, le temps d’injection est limité, et lorsque les injections injectent de l’essence en mode
séquentiel, le DC (Duty Cycle, ou période d’usage) se limite au temps d’ouverture des soupapes d’admission, soit
environ 40 %. Tel que mentionné précédemment, à partir d’un seuil de régime du moteur, l’injecteur pulvérise de
l’essence même lorsque les soupapes sont fermées. Lorsqu’on choisit des injecteurs, la norme est d’utiliser un DC
maximal de 85 %. Lorsqu’on ajuste le débit des injecteurs, on ajuste le temps de pulvérisation, et ce temps se
compte en milliseconde. Ainsi, un temps de 100 millisecondes équivaut à 0.1 seconde. Le temps d’injection
admissible varie en fonction du régime du moteur, et suit la relation suivante :
Temps d’injection = DC * 120 / RPM
(120 = 60s/1min x 2tours/1cycle)
La Figure 6-4 montre graphiquement le résultat de l’équation pour différents DC.
TEMPS D'INJECTION VERSUS LE RÉGIME DU MOTEUR
40
TEMPS D'INJECTION (ms)
35
30
25
DC 100%
DC 85%
DC 40%
20
DC 50%
15
10
5
0
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
RÉGIME DU MOTEUR (rpm)
Figure 6-4, Temps d’injection versus le régime du moteur
On retrouve souvent les tables de temps d’injection ayant une ordonnée en milliseconde, puis l’abscisse en pouce
de mercure (in. Hg) pour les systèmes fonctionnant avec une sonde de type MAP. La pression atmosphérique
correspond à une pression de 1 bar, soit 14.7 psi, ou 101.3 MPa, ou enfin à 29.9 pouces de mercure. Il faut donc
s’assurer que les temps d’injection dans la table demeurent en deçà du temps maximal d’injection. Il est possible
d’insérer dans les tables des temps d’injection plus importants que le maximum possible. En réalité, si les temps
sont supérieurs au maximum possible, cela indique que les injecteurs sont trop petits, et qu’il est nécessaire de les
remplacer ou d’augmenter la pression d’essence. Évidemment, il faut tenir compte des différents facteurs modifiant
le temps d’injection comme les facteurs de corrections liées aux mesures de températures. J’ai déjà acheté un
ordinateur dont le programme indiquait des temps d’injections supérieurs au maximum. Si le temps requis est trop
41
important pour qu’il soit réalisable, le moteur sera sous-alimenté en essence, causant un AFR pauvre, ce qui peut
être très dommageable pour le moteur.
Table 6-2, Table des temps d’injection versus la pression et le régime du moteur
La Figure 6-5 présente une séquence d’injection pour un moteur 4 cylindres fonctionnant à 6000 rpm, ayant un
temps de pulvérisation de 15 millisecondes (DC = 75 %). En pratique, il est difficile de savoir les choix exacts des
manufacturiers par rapport au moment où l’injecteur amorce sa pulvérisation. Pour être conforme aux normes
antipollutions, le début de pulvérisation gagne à être après que la soupape ait amorcé son ouverture. Et rien ne dit
que le moment où l’injecteur débute la pulvérisation ne change pas en fonction du régime du moteur. Comme la
montre la séquence, l’essence est injectée même lorsque les soupapes sont fermées, et elle s’accumule dans la
tubulure d’admission. En pratique, ce n’est pas très grave, mais cette approche ne garantit pas une pulvérisation
optimale.
Figure 6-5, Séquence d’injection d’essence pour un moteur 4 cylindres à 6000 rpm
Certains préparateurs de moteur préfèrent s’assurer que l’essence soit entièrement fournie avant que les soupapes
se referment. Pour y arriver, les injecteurs doivent pouvoir fournir un débit plus important, et le début de la
pulvérisation doit se faire bien avant que les soupapes s’ouvrent. On parle ainsi que les injecteurs s’ouvrent pendant
une période de 430 à 500 degrés soit un DC de 60 à 70 %. Il est possible d’ajuster ces paramètres avec des ECU
de performance. Il arrive néanmoins que certains préparateurs se donnent peu de peine, et ajuste le début
d’injection au moment où le piston atteint le point mort haut (PMH). En résumé, à bas régime, il y a un intérêt à
commencer la pulvérisation tardivement, lorsque les soupapes sont déjà ouvertes pour réduire la pollution inutile,
voir 20 degrés après le PMH. Ensuite, et tant et aussi longtemps que l’essence est injectée avant que les soupapes
se referment, prendre le PMH pour le début de l’injection est très viable. Ensuite, certains manuels recommande
d’amorcer de plus en plus tôt l’injection afin d’injecter toute l’essence avant que les soupapes se referment. Enfin, si
vous négligez tout cela, le moteur fonctionnera très bien, mais la pulvérisation peut en souffrir légèrement, pour une
faible perte de puissance. Mes tests personnels dans cette direction ne m’ont pas montré un avantage à injecter
l’essence avant que les soupapes se ferment. Ainsi s’il y a un gain, il est marginal.
La Figure 6-6 et la Figure 6-7 présente ce à quoi peut ressembler un graphique représentant le début d’injection en
fonction de la pression dans la tubulure d’admission et du régime du moteur, basé sur le principe que la fin
d’injection soit terminé avant la fermeture des soupapes. Comme on le voit, le début d’injection varie en fonction du
régime du moteur. Faire ce travail demande beaucoup de temps, car il faut connaitre le temps d’injection avant
même de faire le réglage du moment du début d’injection. C’est donc un travail qui se fait par itération. En pratique,
et lorsque c’est possible, il peut être intéressant de faire des réglages conservateurs, puis de faire rouler le moteur
en boucle fermée pendant un certain temps avec la jauge AFR à l’échappement, puis d’extraire les valeurs de l’ECU
donnant les facteurs de corrections des temps d’injections, puis de revoir ensuite les moments de début d’injection.
42
Figure 6-6, Séquence d’injection d’essence pour différents régimes de moteurs
Figure 6-7, Début d’injection versus la pression et le régime du moteur
La Table 6-3 donne les temps d’injection en fonction de différents paramètres pour vous aider à faire les réglages.
Avant d’entamer ce genre de réglages, il faut s’assurer que le DC des injecteurs est suffisamment faible.
43
Table 6-3, Grille des temps d’injection
Avec les ECU modernes, il est parfois possible de faire en sorte que le système d’alimentation s’assure d’ajuster luimême le temps d’injection. Afin d’y parvenir, l’ECU devra être configuré pour fonctionner en boucle fermée.
L’expression « boucle fermée » signifie que la sortie affecte l’entrée, dans ce cas, il faut voir que la sortie
d’échappement affecte le temps d’injection de carburant pour atteindre le lambda désiré. En pratique, on se trouve à
entrer les valeurs de lambda visées dans une table à la manière des temps d’injection tels que la Table 6-2. La table
lambda fait partie intégrante du programme. En utilisation, le temps d’injection devient le temps d’injection de la
table des temps d’injection multiplié par un facteur de correction afin d’atteindre le lambda désiré. L’ECU procède
44
par itération afin d’atteindre le lambda désiré, plus le moteur fonctionnera longtemps, plus le facteur de correction
deviendra précis. Les facteurs de correction sont sauvés dans une table, par contre, cette table ne fait pas partie du
programme en soi. La table est mémorisée à l’intérieur de l’ECU.
Un système en boucle fermé est toujours un système avec une hystérésis, cet effet peut créer un contrôle
oscillatoire. Généralement, cela ne pose pas de problème sauf pour le régime de ralenti. Dans ce cas, afin
d’atteindre un régime de ralenti stable, il peut être nécessaire que l’ECU fonctionne en boucle ouverte au moins
pour le régime de ralenti.
6.1.4
CAPACITÉ D’UN INJECTEUR
Les injecteurs doivent injecter de l’essence. Tel que décrit précédemment, à haut régime, les injecteurs injectent de
l’essence sur une période de temps plus importante que le temps de l’ouverture des soupapes d’admission. À la
limite, les injecteurs pourraient injecter de l’essence en continu, mais à ce point l’injecteur n’aurait plus de marge
afin de combler un besoin plus important. Il est généralement admis que le DC (Duty Cycle, ou période d’usage)
devrait être au maximum 85 %.
Lorsqu’on consulte les données techniques des injecteurs, on retrouve normalement les données telles que
l’exemple suivant :
Marque :
RC engineering
Numéro :
SL9-0440
Type :
Saturé
Débit (cc) :
440 cc/min. @ 43.5 psi
Débit (#):
42 # / hr. @ 43.5 psi
Résistance :
12.5 Ohms @ 68 deg. F
Voltage:
8-15 Volts, nominal 13.5 Volts
Ampérage :
1.0 Amps
Pression:
Min. 30 psi / Max 100 psi
Table 6-4, Donnée technique d’un injecteur
Curieusement, le débit en cc/min est un débit de volume par unité de temps, alors que le débit en #/h est un débit de
masse par unité de temps. Parfois on sera moins chanceux, on retrouvera le débit dans un seul système d’unités,
mais la conversion est très facile suivant la relation suivante pour l’essence :
Débit (cc/min.) = Débit (#/h) * 10.5
Débit (#/h)
= Débit (cc/min.) / 10.5
(10.5 = 1hr/60min x 1kg/2.2046lb x 1L/.720kg x 1000cc/1L)
On remarque que le débit est donné en fonction d’une pression spécifique. Cette pression est la pression de
l’essence dans le collecteur de distribution des injecteurs. La pression influence le débit, plus la pression est élevée,
et plus le débit sera important. Une pression plus élevée rendra la pulvérisation plus fine. Toutefois, une pression
élevée pourra causer un vieillissement accéléré des injecteurs.
Pour connaître le débit d’un injecteur à une pression différente de celle spécifiée (43.5 psi est la pression usuelle, et
correspond à 3 bars), il s’agit d’utiliser la règle de conversion suivante :
Nouveau débit = Ancien débit x √ (nouvelle pression / ancienne pression)
Donc, si l’on désire ainsi connaître le débit de l’injecteur décrit ci-dessus à une pression de 48 psi, il ne s’agit que de
faire le calcul suivant :
= 440 cc/min x √ (48 psi / 43.5 psi)
= 440 cc/min x √ (1.103)
= 440 cc/min x 1.050
= 462 cc/min
Comme on le voit, augmenter la pression influence le débit d’une façon importante. Le changement de la pression
n’est pas une modification en soi, mais représente un réglage. Pour obtenir de la puissance, il s’agit d’atteindre le
bon AFR. La modification mécanique d’un moteur peut entrainer un besoin différent en terme de AFR.
45
La pression dans un injecteur peut ne pas être la pression de pulvérisation. Avec un moteur suralimenté, la pression
effective de l’essence pulvérisée est la pression à l’entrée moins la pression à la sortie de l’injecteur. Si vous avez
un moteur suralimenté fonctionnant à 10 psi, et que votre injecteur reçoit l’essence à une pression de 50 psi, la
pression effective est de 40 psi.
Pression effective = pression à l’entrée de l’injecteur – pression à la sortie de l’injecteur
Idéalement la pression effective devrait être constante, mais pour y arrive avec un moteur suralimenté, il faut avoir
recours à un régulateur de pression qui compense la pression de suralimentation. Pour ce faire, le régulateur
possède une entrée qui se relie au collecteur d’admission, de cette façon la pression dans collecteur influencera la
pression de sortie du régulateur. Si votre régulateur de pression n’a pas de compensation, ce n’est pas forcément
très grave. Les temps d’injection devront être plus longs, et les injecteurs devront être plus gros.
Maintenant, la question suivante est de savoir le débit requis des injecteurs pour votre moteur. Évidemment, le débit
requis est directement fonction de la puissance de votre moteur, et du nombre d’injecteurs.
Débit requis (cc/min) = Pm (HP) x BSFC / (quantité d’injecteurs x DC)
Tel que discuté précédemment, on utilise normalement DC = 85 %
Pm est la puissance en HP de votre moteur.
BSFC est la consommation spécifique d’essence. Cette valeur est fonction de l’expérience, et il est généralement
admis que la valeur soit entre 4.7 et 6.8 en fonction du type de moteur avec de l’essence. La Table 6-5 donne les
valeurs de BSFC généralement utilisées.
Application
BSFC
Moteur atmosphérique
4.7 à 5.3 cc/min.HP
Moteur avec compresseur
Moteur turbo
Table 6-5, Facteur BSFC versus application
La variation du BSFC s’explique par le fait qu’un moteur suralimenté consomme une partie de la puissance du
moteur en plus de fonctionner normalement plus riche, soit un AFR plus faible. Cela se visualise bien avec un
moteur utilisant un compresseur entrainé par courroie. Dans ce cas, la courroie prend directement de la puissance
du vilebrequin pour le donner au compresseur. Si l’on prend un moteur de 260 HP, puis que le compresseur
consomme une puissance de 20 HP, les injecteurs doivent donc fournir une puissance équivalente à un moteur de
260 + 20 = 280 HP.
Si l’on désire connaître le débit requis des injecteurs pour un moteur 4 cylindres de 240 HP à suralimentation par
compresseur fonctionnant à 6 psi de charge, fonctionnant avec une pression d’alimentation en essence de 54 psi,
on fait donc le calcul suivant :
Prenons la valeur moyenne de BSFC, soit 6.0, et DC = 85 %
Débit requis (cc/min)
= Pm (HP) x BSFC / (quantités d’injecteurs x DC)
= 240 HP x 6.0 cc/min.HP / (4 x 85 %)
= 424 cc/min
Pression effective
= pression à l’entrée de l’injecteur – pression à la sortie de l’injecteur
= 54 psi – 6 psi
= 48 psi
Le débit de 424 cc/min est pour une pression de fonctionnement de 48 psi. Pour trouver la grosseur des injecteurs
pour la pression normalisée de 43.5 psi, il faut faire le calcul suivant :
= 424 cc/min x √ (43.5 psi / 48 psi)
= 424 cc/min x √ (0.906)
= 424 cc/min x 0.952
= 404 cc/min
46
Lorsqu’on regarde dans les catalogues d’injecteur, le choix ira vers un injecteur ayant un débit voisin de la valeur de
404 trouvée, et supérieur. Supposons que le choix le plus près soit l’injecteur de la Table 6-4, ayant un débit de 440
cc/min.
Si l’on désire connaitre la puissance que le moteur pourra avoir avec les injecteurs de 440 cc/min, on trouve d’abord
son débit à la pression effective de fonctionnement de l’auto, soit de 462 cc/min à 48 psi (voir calcul plus haut). On
fait ensuite le calcul suivant :
HP
= Débit (cc/min.) x quantités d’injecteurs x DC / BSFC
= 462 cc/min. x 4 x 85% / 6.0 cc/min.HP
= 262 HP
Le débit total maximal (avec DC = 85%) des injecteurs serait donc de :
4 x 462 cc/min = 1848 cc/min
= 1.85 l/min (soit 1848 / 1000 cc/l)
= 111 l/hr (soit 1.85 * 60 min./hr)
= 29.4 gallons à l’heure (soit 111 / 3.78 l/gallon US)
6.1.5
ALIMENTATION DES INJECTEURS
La pompe à essence a pour but de fournir le volume adéquat d’essence à la pression requise. La pompe alimente
les injecteurs via un collecteur d’alimentation sur lequel sont installés les injecteurs. Bien que le problème soit assez
simple à priori, plusieurs solutions sont employées pour faire cette simple tâche. Chaque solution possède ses
avantages et ses inconvénients, et aucune des solutions n’influence différemment la puissance de votre moteur.
Figure 6-8, Système d’alimentation de base
Débutons par le modèle le plus simple représenté à la Figure 6-8. Ce système est simple et se limite à alimenter le
collecteur en carburant. Ses principaux avantages sont son faible coût et sa simplicité. Normalement, l’ensemble
pompe-régulateur-filtre se retrouve regroupé dans une unité insérée dans le réservoir. Ses désavantages sont
multiples, mais peuvent devenir vraiment problématiques sur circuit routier. Si la pompe aspire de l’air, l’air devra tôt
ou tard passer dans les injecteurs, aucun besoin d’expliquer que de l’air dans les injecteurs cause une perte de
puissance. Dans certains cas, cela demandera de fonctionner toujours avec un niveau d’essence suffisamment
élevé pour contrer ce problème. Si le réservoir d’essence est large, et qu’un virage est pris à très vive allure, il y a
davantage de risque que cela arrive. Ces systèmes conviennent aux voitures de tous les jours, mais ne sont pas
recommandés sur circuit. C’est regrettable de constater que certaines voitures sport soient livrées avec un tel
système, tel que les Lotus Elise et Exige avec moteur Toyota. Un autre inconvénient à ce système est qu’il devient
difficile de changer la pression de l’alimentation aux injecteurs. Finalement, dans un tel aménagement, il est difficile
d’imaginer installer un régulateur qui utilise la pression dans le collecteur d’admission pour ajuster sa pression de
sortie, ce qui devient un inconvénient pour les moteurs suralimentés.
Passons maintenant au système qu’on souhaite retrouver sur votre voiture à l’achat. Ce système représenté à la
Figure 6-9 se différencie principalement par le fait que le régulateur de pression de l’essence est situé à la fin du
collecteur d’alimentation des injecteurs. D’origine, le régulateur de pression ne sera pas ajustable, mais il est facile
de trouver des régulateurs de pression qui s’installent pour remplacer celui d’origine. Ce système a l’avantage de
47
pouvoir se purger de l’air lorsque la pompe en aspire. Il faut noter que l’essence passant à travers le régulateur de
pression voit sa température augmenter, il peut arriver qu’un radiateur d’essence soit requis.
Figure 6-9, Système d’alimentation avec retour au réservoir
Le système de la Figure 6-9 n’élimine pas le risque que la pompe aspire de l’air, mais en réduit la gravité. La
solution de la Figure 6-10 répond aux besoins d’éliminer le risque d’air entrainé dans le collecteur d’alimentation des
injecteurs. Évidemment, à voir le schéma, vous pouvez facilement comprendre le principal désavantage, soit sa
complexité. Le système possède 2 pompes. La première est une pompe basse pression qui alimente le réservoir de
désaération. Typiquement, le choix de la pompe ira vers une pompe à débit important pour système à carburateur.
Le surplus d’essence retournera directement au réservoir principal. La deuxième pompe est une pompe à haute
pression normale pour les systèmes d’injection et s’alimente du bas du réservoir de désaération. Le choix du
réservoir de désaération est crucial, il devra être d’un volume assez important pour couvrir la période où l’air est
aspiré par la pompe basse pression. Sa forme doit être allongée vers le haut. Cette forme évite le problème de
l’effet de la force latérale en courbe en assurant un niveau d’essence constant. C’est très rare que cette solution soit
nécessaire, un réservoir prévu avec une prise d’essence bien localisée évitera l’aspiration d’air par la pompe. Si le
débit de la pompe basse pression est un peu juste, il peut être préférable que l’essence arrivant du régulateur
retourne directement au réservoir avec un boyau séparé. Ceci afin de limiter le risque que la pompe haute pression
s’alimente d’essence issue du retour, dont l’essence est forcément plus chaude que l’essence incluse dans le
réservoir.
Figure 6-10, Système d’alimentation avec deux pompes
Certaines voitures sont livrées avec un système tel que la Figure 6-8 où la pompe est insérer dans un module
incorporant la pompe, le régulateur de pression, le filtre à essence ainsi que la jauge de niveau (voir Figure 6-11). Il
peut devenir complexe de modifier ces systèmes pour obtenir un système d’alimentation avec retour au réservoir.
48
Figure 6-11, Ensemble pompe-filtre-régulateur-sonde de Toyota provenant d’une Lotus Elise
6.1.6
PAPILLON D’ADMISSION
La Erreur ! Source du renvoi introuvable. montre une tubulure d’admission traditionnelle que nous retrouvons sur
un moteur quatre cylindres. Chaque tubulure allant à la culasse est indépendante, mais chacune des tubulures
prend son air dans un collecteur commun. En amont du collecteur principal se trouve le papillon d’admission, voir la
Figure 6-12. Cette figure montre un papillon d’admission commandé par câble d’acier connecté à la pédale dans la
voiture. On peut aussi voir qu’il y a une sonde de position du papillon (TPS, throttle position sensor). Vous pouvez
voir de plus en plus fréquemment sur les autos des papillons d’admission commandés par l’ECU, alors que votre
pied pousse sur une pédale qui se limite à donner un signal. Dans ces cas, le papillon est commandé par un petit
servomoteur électrique. Ces systèmes sont communément appelés DBW (drive by wire) voir la Figure 6-13.
Personnellement, pour une voiture de course, je n’ai pas été impressionné. Mais vouloir passer à un système par
câble traditionnel peut devenir très compliqué si la voiture n’a pas été prévue avec.
Figure 6-12, Papillon d’admission d’origine
Figure 6-13, Papillon d’admission de type DBW et la
commande du pied
Pour ce qui est de modifications, le plus fréquent est de simplement remplacer l’ensemble par un système plus gros.
Vous pourrez obtenir un gain de performance si vous avez fait d’autres modifications majeures à votre moteur. Par
contre, vous pouvez tenir pour acquis que le gain sera très marginal si le régime moteur n’a pas augmenté, le
diamètre d’origine ayant été bien pensé pour le régime d’origine.
Les motos se voient souvent dotées d’admission ayant 2 papillons montés à la suite. Cet arrangement particulier
fonctionne généralement avec un papillon qui est contrôlé par la poignée d’accélérateur, alors qu’un petit
servomoteur contrôle le deuxième papillon. Le papillon motorisé limite la fougue du moteur pour une conduire plus
sécuritaire en virage. Le papillon manuel permet en tout temps de fermer les gaz rapidement.
Si vous avez décidé de modifier un moteur en version atmosphérique et que vous voulez obtenir la puissance
optimale, certains systèmes d’admission sont disponibles avec un papillon par tubulure. C’est le genre de système
d’admission que nous retrouvons sur les motos ainsi que sur les moteurs spécifiquement conçus pour la course. Il y
a aussi des systèmes qui utilisent des guillotines au lieu de papillon pour une restriction minimale. Si vous optez
pour un tel système, assurez-vous d’avoir le personnel requis pour faire la programmation de votre ordinateur, et
prévoyez un budget de réglage sur dynamomètre. Comme pour les systèmes à carburateurs, je crois qu’il est
préférable d’avoir une boîte à air. Ceci afin d’avoir un volume d’air le plus stable possible assurant que chaque corps
aspire de la même façon.
Noter que le débit d’air n’est pas proportionnel à l’angle d’ouverture du papillon.
49
6.2
CARBURATEUR
Il ne sera pas question en détail du fonctionnement des carburateurs dans ce manuel (et j’ai passé plus de temps à
ajuster des carburateurs que n’importe quoi d’autre). Plusieurs manuels en font mention dans les moindres détails.
Généralement, il est préférable d’acheter le manuel spécifique pour la marque de carburateur que vous pensez
installer sur votre moteur.
Essentiellement, un carburateur possède un corps principal où se trouve à un certain point un système
d’étranglement permettant de créer un effet venturi servant à aspirer l’essence se trouvant dans le réservoir
d’essence du carburateur.
L’ajustement des carburateurs se fait relativement simplement en changeant au besoin la dimension des gicleurs. Il
y a plusieurs gicleurs d’essence dans un carburateur : il y a celui de ralenti et le principal. Il y a aussi plusieurs
gicleurs d’air afin que l’essence qui arrive dans le venturi soit un mélange riche air – essence. On sous-estime
généralement l’effet du puits principal sur lequel se visse le gicleur principal. Pour certains carburateurs, il peut être
nécessaire de le changer en fonction du moteur. Dans ces cas, il faut réellement se fier aux manuels d’ajustement
du carburateur, l’expertise des mécaniciens dans ce domaine se fait très rare.
Les carburateurs offrent une performance pouvant surpasser la performance de certains systèmes injection pour un
prix d’achat relativement faible, mais cette performance a toujours un prix. On peut s’attendre à des régimes au
ralenti plus chaotique, des trous dans la plage de puissance si le tout n’est pas bien intégré, puis une émulsion de
l’essence dans le réservoir du carburateur lorsque les vibrations sont importantes.
Les carburateurs ont deux principaux défauts : le premier est qu’il faut obligatoirement un effet venturi pour obtenir
une bonne pulvérisation. Le deuxième défaut est qu’un carburateur ne s’adapte pas aux variations de
l’environnement. Sur ce dernier point, cela sous-entend que si l’on désire aller courser à un endroit où l’altitude est
différente, il faudra probablement refaire des ajustements pour tirer le maximum de puissance. Il faudra aussi refaire
les réglages pour s’adapter aux changements de température.
Lorsqu’on choisit la grosseur des carburateurs, il faut savoir que des carburateurs plus gros améliorent en général la
puissance maximale du moteur. Toutefois, à partir d’une certaine grosseur, la puissance augmente très peu alors
que les réglages deviennent de plus en plus précaires. Les recommandations usuelles proposent bien souvent des
carburateurs relativement petits alors qu’en pratique ils peuvent être plus gros. Mais d’aller dans cette direction
demande beaucoup de compétence pour les ajustements. Des carburateurs trop petits sont toujours plus faciles à
vivre.
On gagne beaucoup à avoir une boîte à air en amont du carburateur pour stabiliser l’air le plus possible pour le
rendre un peu moins sensible aux changements d’environnement.
Figure 6-14, Moteur MGB avec culasse « crossflow »
et 2 carburateurs Weber 45DCOE
Figure 6-15, Austin Healey 3000 avec 2
carburateurs SU
La Figure 6-14 nous montre un arrangement typique d’un moteur modifié avec 2 carburateurs horizontaux à doublecorps de type Webers. Notez que ce type de carburateur est fabriqué par plusieurs manufacturiers dont Dell’Orto,
Mikuni etc. Carburateurs performants qui gagnent à être assez gros. Ces carburateurs sont dotés de pompe
d’accélération enrichissant de beaucoup le mélange lorsque la pédale d’accélérateur est appuyée (en mouvement).
50
La Figure 6-15 nous montre un moteur 6 cylindres utilisant 2 carburateurs à simple corps de type SU. Ce type de
carburateur possède un boisseau rond coulissant sous la force causée par la dépression d’air. Ces carburateurs
sont de type à vélocité constante dont le boisseau est amorti par un circuit d’huile. Les motos de performances ont
longtemps utilisé des carburateurs à vélocité constante amortis à l’air. Ces carburateurs vont bien lorsque
l’ajustement est exécuté par une personne ayant de l’expérience, mais peu de personne comprenne bien leur
fonctionnement.
Les motos à carburateurs utilisent bien souvent des carburateurs à vélocité constante. Le boisseau monte en
fonction de la dépression créée par l’effet venturi. Lorsqu’on ajuste ces carburateurs, on ajuste les jets d’essence de
plein régime ainsi que ceux de ralenti. On peut aussi ajuster la vitesse de montée du boisseau en jouant avec le trou
d’air localisé dans le boisseau, et en jouant avec le ressort de rappel. Ces carburateurs ne possèdent pas de pompe
d’accélération, mais la soudaine demande d’essence créée par l’ouverture subite du papillon en aval du boisseau
oblige la dépression à aller chercher plus d’essence momentanément.
La Figure 6-16 montre un arrangement traditionnel d’un V8 alimenté par un carburateur 4 corps Quick Fuel. Le
collecteur d’admission est à plan simple pour favoriser des régimes plus élevés.
Figure 6-16, Lotus Europa avec un carburateur à 4 corps (V8 4.6 litres Rover)
La Figure 6-17 montre un arrangement de 4 carburateurs verticaux double-corps de type Webers. Encore ici,
plusieurs fabricants proposent ce type de carburateur. Chaque corps de carburateur alimente un seul cylindre.
Figure 6-17, Triumph TR8 avec 4 carburateurs 40mm (V8 4 litres Rover)
6.2.1
SYSTÈME D’ALIMENTATION
Le système d’alimentation pour un moteur à carburateur est relativement simpliste par rapport à un système pour
moteur injection.
51
Une pompe basse pression est installée et alimente directement le ou les carburateurs. Un régulateur de pression
peut être installé sur la ligne, et généralement les régulateurs n’ont pas de ligne de drainage vers le réservoir. La
pression de fonctionnement est spécifique à différents carburateurs, et varie normalement entre 3 et 7.5 psi.
Figure 6-18, Système d’alimentation pour carburateur
Les carburateurs ont un petit réservoir d’accumulation d’essence dans leur bâti.
Si le carburateur est pressurisé par l’utilisation d’un système de suralimentation, vous devez installer un régulateur
de pression qui prendra en compte la pression de suralimentation. La pompe d’essence devra de ce fait être en
mesure de fournir la pression nécessaire au carburateur normalement en plus de la pression de suralimentation.
Certaines pompes fournissent avec précision la bonne pression en ayant un régulateur de pression intégré, mais
ces régulateurs ne sont pas ajustables. De plus, la pression fournie par une pompe varie toujours en fonction de son
débit.
6.2.2
QUELQUES POINTS À SURVEILLER
Dans le cas d’application avec des carburateurs multiples tels que les Webers :
-
-
-
-
-
Chaque corps alimente généralement un seul cylindre, et certains moteurs utilisent des collecteurs
d’admissions qui utilisent un seul corps pour alimenter deux cylindres. Il faut s’assurer que tous les
carburateurs sont bien synchronisés ensemble afin d’obtenir un régime de ralenti régulier.
Les carburateurs gagnent à être montés de façon flexible sur le collecteur d’admission afin d’atténuer
l’effet des vibrations du moteur.
Afin que les carburateurs puissent avoir un lien rigide entre eux pour une synchronisation stable dans le
temps, il peut être très intéressant d’utiliser une boîte à air, ceci afin de fixer l’avant des carburateurs
ensemble.
Lorsque les vis de réglage de la richesse du régime de ralenti sont au-delà de 3 tours, il faut
sérieusement penser à changer les gicleurs de ralenti.
La longueur du carburateur doit être comptée dans la longueur totale de la tubulure d’admission.
Beaucoup de fournisseurs de pièce ont développé des kits utilisant des carburateurs à corps vertical
pour des applications demandant normalement des carburateurs à corps horizontaux. Afin d’y arriver, ils
créent des tubulures d’admission farfelues allant vers le bas, puis remontant vers le haut, allant
finalement vers la culasse. Ne touchez pas à ces kits.
Il peut être très pertinent de relier ensemble toutes les tubulures avec un petit tube afin que chacun puise
dans les tubulures des autres. Ceci peut améliorer le régime de ralenti.
Au-delà de la dimension des carburateurs, il faut aussi ajuster la dimension des venturis, qui gagnent à
être les plus gros possible. Par contre, plus les venturis sont gros et plus le moteur aura de la difficulté à
avoir un comportement civilisé à bas régime. Les venturis sont normalement facilement démontables et
remplaçables.
La capacité des carburateurs n’est pas additive. Un moteur V8 ayant 4 carburateurs doubles de 40 mm
ne se compare pas à un gros carburateur Holley à 4 corps de 40 mm monté sur un gros collecteur
d’admission. Avec les 4 carburateurs de type Webers, chaque cylindre aspire via un seul corps de 40
mm. Avec un collecteur d’admission pour les carburateurs de type Holley, chaque cylindre aspire via 2
ou même 4 corps de 40 mm. Les webers auront un meilleur régime de ralenti, possiblement un peu plus
de couple à bas régime, mais pas le punch du Holley à haut régime.
52
Dans le cas d’application avec un carburateur simple de type à 4 corps :
-
-
-
6.3
Avec un collecteur d’admission à deux plans, chaque moitié de carburateur (2 corps) alimente 4
cylindres.
Avec un collecteur d’admission à plan simple, le carburateur alimente les 8 cylindres.
L’accélérateur fait ouvrir d’abord 2 corps, puis l’ouverture plus grande de l’accélérateur fait ouvrir les 2
autres corps qui sont parfois plus gros que les premiers.
Les carburateurs sont souvent désignés selon une capacité de débit d’air en CFM. Cette donnée est
fonction d’une perte de pression au travers le carburateur, et la perte de pression souvent employée est
de 1.5 ou 3 pouces de mercure.
Le débit moyen dans un carburateur est selon l’équation :
CFM = CC x RPM x EV / 56634
Où
CC est la cylindrée du moteur en cc
RPM est le régime du moteur en tour par minute
EV est l’efficacité volumétrique de remplissage, située entre 75 et 85 %
Le débit moyen dans un carburateur ne procure pas directement la donnée technique du carburateur, et
il est préférable de se rapporter aux recommandations des manufacturiers de carburateur.
ADMISSION FORCÉE
L’admission forcée alimente en air un moteur plus qu’il est normalement capable d’en prendre s’il fonctionne à
pression atmosphérique. Un moteur 4 temps de 2 litres consomment au mieux plus ou moins 2 litres d’air par 2
tours. Cela est vrai lorsque le moteur fonctionne à pression atmosphérique. On dit d’un tel moteur qu’il est
atmosphérique. La pression atmosphérique est de 1 bar, par définition. Une pression de 1 bar correspond à 101.3
kPa et à 14.7 psi.
On mesure toujours la pression de surcharge d’un système forcé par rapport à la pression atmosphérique normale,
c’est-à-dire que lorsqu’on parle d’un moteur fonctionnant avec une admission forcée de 7 psi, il faut comprendre que
le volume d’air emplira les cylindres à une pression de 14.7 + 7 psi, soit 21.7 psi. Le gain en volume d’air sera donc
de 21.7 / 14.7, soit de 48%, ce qui se traduit qu’un moteur de 2 litres consommera près de 3 litres d’air par 2 tours.
Toutefois, le fait de compresser de l’air consomme une énergie que le moteur doit fournir, le gain net en puissance
ne sera pas de 48 %. Le choix du système d’admission forcé influence le gain net. Les composantes du moteur sont
toujours sollicitées avec la perte. Cela se traduit par le fait qu’un moteur de 2 litres subira les contraintes d’un
moteur de près de 3 litres.
Beaucoup de manuels couvrent largement les applications d’admission forcée, je vais me limiter aux concepts
généraux. Un manuel sérieux abordant le sujet de la suralimentation devient un manuel en soi. Les manuels de
Corky Bell (en anglais) sont d’excellentes références.
Pour tirer le maximum d’un système d’admission forcée, il est avantageux de diminuer le rapport de compression du
moteur.
Un des problèmes avec un moteur à admission forcée est que lorsque le moteur se détruit, il se peut que le
compresseur ou le turbo s’endommage du même coup, et la facture peut devenir d’autant plus salée.
6.3.1
TURBO
Un système d’admission forcée utilisant le principe du turbo utilise les gaz d’échappement pour faire tourner une
turbine entrainant une autre turbine localisée du côté admission.
En principe c’est assez simple. Le potentiel de puissance est là, l’efficacité énergétique n’est pas si mal.
Le comportement du moteur devient rapidement assez violent. Du fait que l’admission influence positivement
l’échappement, et que l’échappement influence positivement l’admission, on obtient rapidement une avalanche de
puissance, c’est un peu comme si le moteur s’emballe.
Outre la chaleur excessive générée à l’intérieur du Turbo, le principal défaut d’un moteur turbo est son délai de
réponse. Tout au long de la chaine, on compresse des gaz, et ceux-ci agissent comme des élastiques. Le moteur
s’emballe. Certains utilisateurs vous diront que ce n’est pas grave, qu’à la limite c’est même une partie du plaisir et
ils auront sans doute raison.
53
Pour l’installation d’un kit turbo, comptez mettre un montant d’argent relativement généreux. La mise en marche se
fait relativement bien, mais demande néanmoins de la programmation. Le moteur gagnera à avoir subi une
préparation particulière et il en sera question dans les prochains chapitres.
6.3.2
COMPRESSEUR VOLUMÉTRIQUE
Soyons clair, en terme de puissante absolue, la solution turbo possède l’avantage. Et je vais aussi avouer ma
préférence pour les compresseurs volumétriques par rapport au turbo. Le temps de réponse est quasi inexistant,
puis le comportement du moteur se rapproche d’un moteur atmosphérique. La bande de puissance sera meilleure
qu’un moteur atmosphérique modifié de puissance comparable. Toutefois, et c’est dommage d’une certaine façon,
la puissance maximale risque fortement de se retrouver à la limite de régime du moteur.
Figure 6-19, Compresseur MP62 de type Root produit par Eaton
Les compresseurs volumétriques entrainés par courroie assurent une alimentation en air relative à la cylindrée du
moteur. Si votre moteur est un moteur de 2 litres, cela revient à dire que votre moteur consomme 1 litre d’air à la
pression atmosphérique par tour. Pour créer la suralimentation, il s’agit de prendre un compresseur et de la faire
tourner afin que son débit soit plus important que le débit normal du moteur. Ainsi, si votre sélection apporte un
volume de 20 % de plus, soit 1.2 litre par tour, l’accroissement en puissance devrait être de l’ordre de 20 %. Cette
puissance est la puissance au vilebrequin, toutefois, le compresseur consommera de la puissance tel un
compresseur de garage. La puissance nette résultante sera donc plus faible que le 20 % escompté, la perte sera
fonction de l’efficacité mécanique et volumétrique du compresseur. En pratique, lorsqu’il y a une perte d’énergie
quelque part, c’est qu’elle est déplacée quelque part d’autre, et cet autre est la température d’air. En d’autres
termes, l’énergie perdue est transférée à l’air, de ce fait, la température de l’air à l’entrée du moteur sera donc plus
élevée, ce qui réduit le potentiel de suralimentation pour éviter l’auto-allumage.
La Figure 6-19 montre clairement un petit papillon à l’entrée du compresseur. Ce papillon est fermé lorsque vous
avez de la pression de suralimentation dans la tubulure d’admission. Toutefois, aussitôt que le collecteur est sous
dépression, soit lorsque l’accélérateur est peu ou pas appuyé, le papillon s’ouvre et permet à l’air de contourner le
compresseur. Le but est d’obtenir un moteur se comportant comme un moteur atmosphérique au ralenti, et une
meilleure efficacité en évitant de fournir de l’énergie pour faire tourner le compresseur. En roulant à vide, le
compresseur demande moins de puissance.
6.3.3
TEMPÉRATURE D’ADMISSION
Le fait de comprimer l’air fait augmenter sa température. Ainsi, un système de suralimentation fera en sorte que la
température d’air à la sortie sera plus élevée qu’à l’entrée.
Je vais prendre l’exemple d’un compresseur volumétrique.
La différence de température l’entrée et la sortie d’un compresseur sera :
dT = ( (PR
.28
-1) x Tadmission ) / Es
Où :
dT est la différence de température
PR est le rapport de compression, soit la pression de suralimentation absolue par rapport à la pression
atmosphérique.
Tadmission est la température à l’entrée du compresseur
Es est l’efficacité énergétique du compresseur
54
Prenons un exemple où la pression de suralimentation est de 8 psi, avec une température d’admission de 298
Kelvins (25 Celsius), avec une efficacité de 55 %. On obtient alors :
.28
dT
= ( (PR
-1) x Tadmission ) / Es
PR
= (8+14.7)/14.7 = 1.54
dT
= ((1.54
.28
-1) x 298) / .55
= ((1.129 – 1) x 298) / .55
= 70°C
L’installation d’un échangeur air-air permet de réduire cette température en la ramenant le plus près possible de la
température ambiante.
Si vous cherchez les courbes de performances de votre compresseur sur internet ou chez votre fournisseur de
pièces de performances, vous devriez être en mesure de trouver quelques courbes caractérisant le compresseur
que vous pensez utiliser. Ainsi, vous trouverez probablement les courbes suivantes :
-
Courbes d’efficacité en fonction de PR, du débit à l’entrée, et de la vitesse de rotation de votre compresseur;
Courbes de consommation de puissance en fonction de la vitesse de rotation du compresseur et de la
pression de suralimentation;
Courbe d’augmentation de température de l’air en fonction de la vitesse de rotation du compresseur et la
pression de suralimentation;
Courbe de l’efficacité volumétrique en fonction de la vitesse de rotation du compresseur et la pression de
suralimentation;
Courbe du débit à l’entrée en fonction de la vitesse de rotation du compresseur et la pression de
suralimentation;
Un compresseur possède une cylindrée. Un compresseur MP62 a une cylindrée de 1.032 litre par tour. Ainsi, si
vous avez une poulie avec un diamètre de 132 mm (le diamètre effectif est en fait l’extérieur de la courroie une fois
enroulée sur la poulie) sur le vilebrequin (tournant à 8 500 rpm) et une poulie de 85 mm sur le compresseur, installé
sur un moteur de 1.8 litre, on obtiendra donc :
Vitesse du compresseur : 8 500 rpm x 132 mm / 85 mm = 13 200 rpm
Débit théorique du compresseur : 13 200 rpm x 1.032 litres par tour = 13 622 litres par minute.
À titre indicatif, à la pression atmosphérique et avec un taux de remplissage de 100 %, le moteur consomme un
débit d’air de :
8 500 rpm x 1.8/2 litres par tour = 7 650 litres par minute.
De la courbe de l’efficacité volumétrique, vous seriez en mesure de trouver une valeur du genre de 90 % (ne pas
confondre l’efficacité volumétrique et efficacité énergétique). Ainsi, on peut estimer le PR ainsi :
PR
= 13 622 x .90 / 7 650 = 1.60
De cette valeur, on peut estimer ainsi la pression de suralimentation ainsi :
Pression de suralimentation
= (PR – 1) x 14.7
= 8.8 psi
De la courbe de l’augmentation de température, vous pourrez trouver en tenant en compte la pression de
suralimentation (disons 9 psis) que l’augmentation de l’air devrait être de l’ordre de 85°C.
Ainsi, on trouve donc que si la température d’entrée au compresseur est de 298°Kelvins, la température à la sortie
sera de 383°Kelvins.
Si le moteur a un rapport de compression de 10.3, la température du mélange dans la chambre de combustion
avant que l’allumage entre en jeu sera donc de :
55
.28
dT
= (R -1) x Tadmission
.28
= (10.3 -1) x 383
= (1.92 – 1) x 383
= 352 Kelvins
(voir section 5.3)
Ainsi, la température dans la chambre de combustion devient de 352 + 383 = 735°Kelvins, soit 462°C. On parle
d’une température qui est sujette à créer de l’auto-allumage du fait que la température dépasse largement 400°C qui
est la température d’ignition de l’essence super.
De la courbe de consommation de puissance, on pourra voir une puissance de l’ordre de 25 HP. Ainsi, si le moteur
produit une puissance de 260 HP, le moteur doit ainsi produire une puissance de 260 + 25 = 285 HP. On parle donc
d’une perte de près de 10 %, et à puissance égale, un moteur atmosphérique consommera 10 % moins d’essence.
En pratique, la différence sera plus grande, car l’AFR sera plus riche pour un moteur suralimenté, on parle donc
facilement d’un autre 10 % (.95/.85), pour une différence de plus de 20 % en terme de consommation.
6.3.4
EXEMPLE DE CALCUL POUR UN COMPRESSEUR VOLUMÉTRIQUE
L’exemple suivant présente une série de calculs approximatifs sont présentés afin de pouvoir calculer la grosseur de
poulie que l’on peut installer, ou encore l’effet sur la puissance avec ou sans changement de rapport volumétrique.
Ces calculs sont très approximatifs mais ils permettent d’obtenir des estimations très raisonnables. L’approche est
de partir de données que l’on connait et d’extrapoler à partir de données connues, soit la puissance avant
changement, l’efficacité du compresseur à différentes pressions et régimes ainsi que les rapports volumétriques.
Exemple :
Nous avons une application où le moteur produit une puissance de 275 HP aux roues avec un compresseur
entrainé par une poulie de 90 mm (diamètre primitif, soit le diamètre au niveau de la corde dans la courroie). La
pression de suralimentation est de 10 psis. Le rapport volumétrique du moteur est de 10 :1 (valeur mesurée). Le
rendement du compresseur est de 72% à cette pression et vitesse.
On désire diminuer le rapport volumétrique du moteur à 8 :1 afin d’augmenter la pression de suralimentation et
ainsi augmenter la puissance.
Ce que l’on cherche est de savoir le diamètre de la poulie du compresseur que l’on peut installer tout en
maintenant une température dans la chambre de combustion similaire à ce que l’on avait au départ et qui
fonctionne bien en pratique.
On cherche dans un premier temps la température de référence que l’on a avec un rapport volumétrique de
10 :1. On va prendre des chemins qui contiennent des hypothèses qui sont fausses mais qui conduisent à des
résultats proches de ce qui est permissible. On va considérer que la température ambiante est 25°C (soit
298°Kelvins).
Efficacité du cycle otto (voir Figure 5-1) : 60.2%
Rapport de compression du compresseur = PR = (10 + 14.7) / 14.7 = 1.68
.28
Variation de température dans le compresseur = (1.68 -1) x 298 / 72% = 65°C = 65°K
Température à la sortie du compresseur = 25°C + 65°C = 90°C = 363°K
.28
Variation de température dans le cycle de compression du moteur = (10 -1) x 363 = 328°C = 328°K
Température de compression avant allumage = 363°K + 329°C = 691°K
Cette dernière température calculée est certainement fausse et ne tient pas compte du taux de remplissage réel
du cylindre, de la vitesse de compression, ou encore de l’avance des arbres à came, mais cette température sert
de barème pour les calculs suivants.
On peut estimer la puissance que l’on obtient avec un rapport volumétrique plus bas (8 :1) avec la même poulie,
soit 90 mm.
Efficacité du cycle otto pour 8 :1 (voir Figure 5-1) : 56.5%
Ainsi, on devrait s’attendre à une puissance révisée de 275 HP * 56.5% / 60.2% = 258 HP
56
On perd de la puissance ce qui est normale. Si on refait les calculs comme auparavant, on obtient évidemment
une température de compression avant allumage plus basse de 42°K (692°K-650°K) ce qui laisse la possibilité
de diminuer le diamètre de la poulie du compresseur.
Rapport de compression du compresseur = PR = (10 + 14.7) / 14.7 = 1.68
.28
Variation de température dans le compresseur = (1.68 -1) x 298 / 72% = 65°C = 65°K
Température à la sortie du compresseur = 25°C + 65°C = 90°C = 363°K
.28
Variation de température dans le cycle de compression du moteur = (8 -1) x 363 = 287°C = 287°K
Température de compression avant allumage = 363°K + 287°C = 650°K
Maintenant, on peut calculer le diamètre de la poulie afin d’atteindre la même température dans la chambre de
combustion avant allumage. Ce calcul se fait par itération, et de ce fait, il est plus aisé de le faire par Excel. Ce
que l’on cherche est la pression de suralimentation, soit 14 psi on assumant une efficacité du compresseur de
70% selon les données du compresseur.
Efficacité du cycle otto (voir Figure 5-1) : 56.5%
Rapport de compression du compresseur = PR = (14.4 + 14.7) / 14.7 = 1.98
.28
Variation de température dans le compresseur = (1.98 -1) x 298 / 70% = 87.8°C = 87.8°K
Température à la sortie du compresseur = 25°C + 65°C = 113.4°C = 385.8°K
.28
Variation de température dans le cycle de compression du moteur = (8 -1) x 385.8 = 304.8°C = 304.8°K
Température de compression avant allumage = 385.8°K + 304.8°C = 690.6°K
On peut maintenant s’attendre à une puissance de : 258 HP * (14 psi + 14.7 psi) / (10 psi + 14.7 psi) = 300 HP
La poulie du compresseur doit alors être de : 90 mm * (10 psi + 14.7 psi) / (14 psi + 14.7 psi) = 77.4 mm
On a donc obtenu un gain de 25 HP en diminuant la poulie et le rapport volumétrique.
Note sur le calcul : On peut faire ce type d’approximation si l’on ne change pas la capacité de refroidissement de
l’intercooler. Évidemment, si l’on ajoute un intercooler, le calcul ne tient pas et on peut ajouter en pratique plus
de pression de suralimentation.
Fin de l’exemple
On remarque que le calcul nous montre qu’il y a un gain à diminuer le rapport volumétrique afin de pouvoir
augmenter la pression de suralimentation et d’obtenir un gain de puissance. C’est toujours difficile de trouver ce qui
est acceptable comme température de départ. La théorie montre que l’on ne doit pas dépasser une certaine
température, mais cette température limite est difficile à prédire ainsi que la température obtenue elle-même. Par
exemple, si l’on prend un moteur d’origine, on sait que l’on est généralement capable de suralimenter le moteur
avec 5 psis sans intercooler. Évidemment, dans ce cas, on coupe dans le facteur de sécurité du manufacturier, les
risques d’autoallumage augmentent. Le moteur ne devra jamais avoir de carbone sur les pistons.
6.4
TUBULURE D’ADMISSION
La tubulure d’admission telle que définie ici est la tubulure attachée directement à la culasse.
La longueur de celle-ci est très importante, et détermine beaucoup le comportement du moteur. Une tubulure longue
favorisera le couple à bas régime. Une tubulure courte favorisera une puissance à haut régime. C’est aussi simple
que cela. Si vous désirez obtenir plus de puissance et que vous ne vous souciez pas du couple à bas régime, la
solution est donc d’avoir des tubulures courtes.
Certains moteurs sont livrés avec des tubulures à longueur variable selon deux configurations, soit courte et longue.
Certains moteurs, mais c’est très rare, possèdent des tubulures dont la longueur s’ajuste en fonction du régime du
moteur. C’est à vous de savoir ce que vous souhaitez de votre moteur, et de prévoir que le choix soit en harmonie
avec le reste de votre moteur et de votre transmission. Dans les systèmes ayant deux longueurs de tubulures, le
montage long est souvent enlevé pour tenter de gagner quelques chevaux, mais les gains sont marginaux, et il y a
une perte de couple à bas régime. Pour gagner un peu de puissance, il est avantageux de simplement changer la
tubulure pour un modèle plus léger et à simple longueur telle que la Figure 6-20Erreur ! Source du renvoi
introuvable.. Un gain réel de puissance peut être obtenu avec une telle tubulure. L’exemple de la Figure 3-1 a
montré un gain de 13 HP avec l’installation de la tubulure Shunk2 et l’élimination des arbres d’équilibrage à
l’intérieur du bloc moteur.
57
Là où cela peut devenir plus subtil est lorsqu’on désire mesurer la longueur de la tubulure. En gros, il faut retenir
que la longueur débute à la soupape et va jusqu’à ce que la tubulure se jette dans un espace beaucoup plus
important que lui-même.
Dans le cas d’application avec carburateur à corps unique par cylindre, la longueur de la tubulure inclut la culasse,
la longueur du carburateur, puis la trompette. Du fait de la longueur inhérente des carburateurs tels que les Webers,
la longueur de la tubulure sera obligatoirement assez longue.
Figure 6-20, tubulure d’admission Shunk2 pour moteur Honda H22A
Un cas intéressant est le cas des groupes de tubulures employées sur les V8 américains à carburateur central. On
parle généralement de deux configurations, soit la configuration à plan double, ou à plan simple. Dans un système à
double plan, les quatre corps du carburateur sont divisés en deux, soit deux de gauche, et deux de droite. Les deux
de droite vont alimenter principalement quatre cylindres seulement. La conception implique des tubulures
relativement longues. Dans un système à simple plan, l’approche est plus radicale, les quatre corps du carburateur
alimentent une cavité d’un volume relativement important, et de là, les tubulures débutent leur trajet vers la culasse.
On peut même voir parfois des configurations où les longueurs des tubulures deviennent aussi courtes que 50 mm.
Dans ces cas, ne soyez pas étonné de voir apparaitre du matériel d’un cylindre dans un autre dans le cas d’un
moteur sauté. Évidemment, ce type de tubulure compromet le bon fonctionnement au régime ralenti, mais ça donne
du charme à ces engins d’enfer.
Outre la longueur, il y a aussi la dimension de la conduite. On peut être tenté de grossir les conduites, parfois ce
sera une très bonne idée, et parfois une très mauvaise. Normalement, il y a une relation avec la dimension des
soupapes. En gros, il ne passera pas plus d’air dans les tubulures que par les soupapes. Alors, des tubulures plus
grandes que les soupapes peuvent déjà être considérées comme grandes, et possiblement ne pas demander d’être
agrandies. Les moteurs haute performance japonais ne gagneront pas à être modifiés au niveau des dimensions
des tubulures. Bien des V8 américains d’époque gagnent quant à eux à être agrandi, mais la configuration des
culasses rend impossible d’agrandir les passages à des dimensions qui seraient jugées comme idéales. Un moteur
doit être conçu et préparé pour être en harmonie. On ne mettra pas un carburateur de 50 mm pour alimenter une
tubulure de 30 mm. Les moteurs à carburateur demandent une plus grande vélocité de l’air afin d’améliorer le
mélange.
La finition de surface intérieure devrait être lisse avec un minimum de déviation et bosses. Toutefois, il ne faut pas
polir la surface, mais plutôt conserver un fini légèrement brut afin qu’une couche d’air s’y fixe et favorise le
glissement du débit d’air sur cette mince couche.
C’est bien beau tout ça, mais si votre moteur est suralimenté, la conception des tubulures devient plus simple et se
résume à amener l’air au bon endroit.
Si l’on revient un peu sur la tubulure montré à la Figure 6-20 utilisé pour un moteur injection. On retrouve les
tubulures se regroupant à un collecteur ayant un volume relativement important alimenté par un papillon en amont.
On retrouve parfois (surtout sur les motos) un montage où chaque cylindre possède son propre papillon, donc 4
papillons pour un moteur à 4 cylindres. Chaque configuration de système a ses propres avantages qui dépassent le
concept de puissance en soi. À la limite, le principe avec un collecteur simple pourrait avoir un avantage en termes
de puissance s’il était possible d’assurer des tubulures très bien réalisées avec des entrées progressives. En effet,
le volume du collecteur peut agir comme un accumulateur d’air pour obtenir un débit plus constant à travers le
papillon principal (et unique). Toutefois, la réponse du moteur sera aussi moins rapide car ce volume doit se remplir
lorsque l’on ouvre le papillon. À l’inverse, lorsque l’on ferme les gaz, le collecteur doit se vider avant que le moteur
58
revienne à l’état normal. Tout ceci se passe rapidement, mais il est clair que si l’on installait un collecteur infiniment
grand, le décalage deviendrait extrêmement embêtant.
6.5
FILTRE À AIR
Le filtre à air est un élément créant une restriction. Réduire cette restriction est comme trouver des chevaux gratuits.
Alors, faites votre possible pour prendre ce qu’il y a de mieux. Ne vous attendez pas à ce que la planète change
d’orientation, mais comme j’ai dit, c’est de la puissance gratuite. Personnellement, j’ai même déjà installé deux filtres
à air sur la même boîte à air, j’avais les filtres, j’avais la place.
6.6
BOÎTE À AIR
Une boîte à air d’origine sur les voitures modernes de divise généralement en trois parties telles que montrées à la
Figure 6-21.
Figure 6-21, Configuration d’une boîte à air
La zone 1 reçoit normalement l’air d’un tube allant chercher l’air frais à un endroit stratégique. Cette zone 1 consiste
en une zone d’équilibrage où l’air gagne à être stable avant de traverser le filtre. Le fait d’avoir cette zone permet
aussi d’atténuer le niveau sonore du moteur.
La zone 2 est tout simplement le filtre.
La zone 3 est l’air filtré, elle gagne à être la plus volumineuse possible afin de servir en quelque sorte
d’accumulateur. Idéalement, le filtre à air laisserait passer un débit constant d’air. Du fait que la zone d’aspiration est
relativement petite, le filtre laisse passer l’air avec une variation du débit pour accommoder la consommation non
constante du moteur. Si l’on analyse cela d’une façon rationnelle, on peut imaginer que le moteur respire, puis
arrête, puis recommence sur un autre cylindre et ainsi de suite. On peut comme nous lorsque l’on respire. Ainsi, le
débit à travers le filtre n’est pas constant. Mathématiquement parlant, on se retrouve avec une consommation qui
ressemble à une courbe sinusoïdale. En ayant un volume important, cet effet est diminué.
Vous avez peut-être déjà vu des autos anciennes où un petit filtre est installé directement sur les carburateurs. Dans
ces cas, la boîte à l’air devient uniquement l’ensemble des zones 2 et 3. On voit aussi que la zone 3 devient
extrêmement petite. J’ai déjà fait une petite expérimentation intéressante sur une voiture ainsi préparée. La voiture
était une Porsche 914 (1975 pour les nostalgiques) dont le moteur était un quatre cylindres à plat, alimenté par deux
carburateurs Weber double corps. Les deux carburateurs étaient localisés directement sur leur culasse via une
courte tubulure d’admission. Le moteur ne voulait pas prendre des tours, et s’essoufflait vers 6000 rpm. Afin
d’améliorer l’admission, et avec un minimum de budget, j’avais décidé de relier les deux dessus de filtre à air
ensemble avec un tube ABS de plomberie (je sais, pas très élégant…). Je l’avoue, la solution était possiblement
étrange, mais le moteur tournait librement jusqu’à 7000 rpm après avoir fait la modification. La cause, deux fois plus
de surface de filtre, et au moins quinze fois plus de volume à la disposition du moteur.
Lorsque plusieurs carburateurs sont montés côte à côte dans le style des Weber, il peut être intéressant d’opter
pour une boîte à l’air dont la surface de montage permet de créer un lien rigide entre les carburateurs. Ce lien rend
possible un montage plus flexible avec les tubulures d’admission afin de contrer les vibrations de l’essence, en plus
de stabiliser la synchronisation des carburateurs entre eux. Une boîte à air de grand volume assure que chaque
corps de carburateurs s’alimente également. Sans boîte à air, il se peut que les corps ne s’alimentent pas en air
également dû aux caractéristiques aérodynamiques du véhicule.
59
Figure 6-22, Modification inusitée du système de boîte à air d’une Porsche 914
Les voitures de série sont généralement assemblées avec des tubulures reprenant le concept de la Figure 6-21. La
modification très populaire avec ce type de montage est d’enlever la boîte à l’air d’origine et de la remplacer par un
kit tel que la Figure 6-23. Le tube agit comme la zone 3 d’une boîte à l’air, et un large volume est toujours la
bienvenue. Un petit gain en performance peut être envisagé, mais certains ordinateurs d’origine peuvent ne pas
répondre parfaitement à de tels changements, surtout les voitures utilisant des sondes de type MAF. Outre la
performance, le look du compartiment moteur s’en trouve bonifié, et le son du moteur devient plus grave. On peut
réellement entendre le moteur respirer.
Figure 6-23, Kit de filtre à air Fujita
6.7
CAPACITÉ REQUISE DE LA POMPE À ESSENCE
La Figure 6-24 donne le débit d’essence que doit pouvoir fournir la pompe à essence. Les débits sont basés sur les
valeurs de la Table 6-5 mais considérant un temps d’injection de 100 %, soit une réserve de 25 % par rapport au
besoin théorique. Évidemment, cette figure est valable pour les systèmes injections ainsi que pour les moteurs
fonctionnant avec des carburateurs.
Débit de la pompe à essence versus puissance du moteur
1000
900
Puissance (hp)
800
700
600
Moteur atmosphérique
500
Moteur avec compresseur
400
Moteur turbo
300
200
100
0
0
50
100 150 200
250 300 350 400
450 500 550
600 650
Débit (l/hr)
Figure 6-24, Débit de la pompe à essence versus la puissance du moteur
60
Pour les systèmes injections, l’enjeu est d’obtenir le débit requis sans que la pression du système d’alimentation
chute.
Pour les systèmes à injection, il faut installer une pompe pouvant fournir la pression nécessaire. Dans tous les cas, il
faut porter une attention particulière aux données qui sont fournies par les manufacturiers ou les distributeurs. Il sera
donc fréquent de voir affiché un débit d’une pompe ainsi que la pression maximale, alors que la pompe ne peut pas
fournir le débit à la pression indiquée. Il faut donc vérifier que le débit désiré sera possible à la pression souhaitée.
Pour une pompe, certains facteurs feront que son débit diminuera, soit la pression à la sortie ou le voltage aux
bornes de la pompe.
Prenons l’exemple de la pompe de la Figure 6-25. Certains revendeurs vous donneront la caractéristique simplifiée
suivante :
Figure 6-25, Caractéristiques typiques d’une pompe
Débit à vide :
Pression maximale :
67 gph (253 l/h)
100 psi
Si l’on va voir les caractéristiques de la pompe directement dans le catalogue d’un distributeur important comme
Holley (qui peut ne pas être le manufacturier de la pièce que vous comptez acheter), on trouvera possiblement des
données différentes telles que les données suivantes, et aussi préférablement un tableau comme la Figure 6-25 :
Débit à 15 psi :
Débit à 45 psi :
80 gph (302 l/h)
67 gph (253 l/h)
Dans ce cas précis, l’information disponible du catalogue ne mentionne pas que la pression maximale est de 100
psi. Le débit mentionné par le revendeur ne donne pas le même débit que le catalogue. Ensuite, on voit très bien
que le débit diminue en fonction de la pression. Si l’on désire que l’essence soit pulvérisée à 50 psi, cela veut dire
que le débit maximal de la pompe sera de 66 gph (250 l/h) à 13.5 volts.
Prenons un deuxième exemple : si l’on désire que l’essence soit toujours pulvérisée à 50 psi, avec un moteur
suralimenté et fonctionnant avec 10 psi de suralimentation. La voiture possède un régulateur de pression
compensant pour la pression de surcharge. La pompe aura donc besoin de fournir une pression de 60 psi (50+10).
Le débit disponible n’est plus que de 62 gph (234 l/h) à 13.5 psi.
Il est donc toujours avantageux de trouver la courbe caractéristique de la pompe que l’on souhaite utiliser. Ceci est
aussi vrai pour les applications à carburateur qu’à injection.
Pour les systèmes injections, le remplacement de la pompe à essence peut demander de reprogrammer votre ECU.
Une pompe avec un débit plus important peut assurer une pression plus constante aux injecteurs, ce qui peut se
traduire par un temps d’injection requis plus court. Même les ordinateurs s’ajustant eux-mêmes peuvent ne pas
pouvoir faire les corrections adéquates. Par contre, l’effet sera que le moteur fonctionnera plus riche, ce qui, somme
toute, est moins grave que l’inverse. Un mélange pauvre n’est jamais souhaitable pour la survie de votre moteur.
Encore une fois, consulter un spécialiste de votre véhicule avant d’entreprendre des changements.
6.8
REGULATEUR DE PRESSION D'ESSENCE
Il y a principalement deux types de régulateurs : ceux qui contrôlent la pression de l’essence à leur sortie; et ceux
qui contrôlent la pression à leur entrée. Un régulateur de pression est requis lorsqu’on désire obtenir une pression
stable dans le système d’alimentation en carburant. Tel que mentionné dans la section précédente, le débit de la
61
pompe change avec la pression, et la pression est affectée par le débit. Évidemment, lorsque le moteur fonctionne
avec peu de demandes, la pression de l’essence aura donc tendance à augmenter.
Avec un système à carburateur, la pression est moins critique, car l’essence est fournie à un petit réservoir à
l’intérieur du carburateur. Une pression trop élevée peut engendrée une fuite du pointeau à l’intérieur du
carburateur, causant un débordement. La pression dans le réservoir du carburateur est toujours à la pression de l’air
du réservoir, généralement à la pression atmosphérique, sauf pour les applications avec suralimentation poussant
au travers du carburateur. Toutefois, certaines pompes gagnent à avoir un régulateur, surtout les pompes à haut
débit.
Idéalement, le régulateur devrait être installé le plus près possible du point de distribution de l’essence, soit le
collecteur d’essence pour les injecteurs ou immédiatement avant le carburateur pour ce type d’installation.
La Figure 6-18 montre un régulateur qui contrôle la pression à sa sortie. En effet, le régulateur reçoit le carburant de
la pompe, le régulateur s’assure de fournir la pression désirée à sa sortie. Pour connaître la pression, il est
nécessaire d’installer une jauge de pression soit sur le régulateur, soit entre ce dernier et le système alimenté. On
parle dans ce cas d’un régulateur qui est en fait une valve de réduction de pression. Pour fonctionner, la valve crée
une restriction. Cette restriction n’est à peu près jamais disponible dans les données techniques. Il faut donc
s’assurer d’avoir une pompe apte à fournir une pression légèrement plus élevée que la pression à la sortie du
régulateur. On retrouve généralement ce type de régulateur pour les applications avec carburateurs.
Figure 6-26, Régulateur de pression d’essence Aeromotive 13109
Le deuxième type de régulateur contrôle la pression à son entrée. Ici, on parle littéralement d’une valve de
décharge. Ainsi, lorsque la pression du carburant atteint une certaine valeur, le régulateur se met à laisser passer le
carburant non utilisée. Évidemment, lorsque le moteur fonctionne avec peu de charges, l’essence passe presque
entièrement dans le régulateur avant de retourner au réservoir. Le passage de l’essence dans ce type de régulateur
augmente automatiquement sa température, la chute de pression étant la pression du collecteur. Une pompe avec
un débit supérieur au besoin fera chauffer inutilement l’essence. Parfois, il peut être nécessaire d’installer un petit
radiateur pour refroidir l’essence. On retrouve généralement ce type de régulateur pour les systèmes injections.
L’augmentation de la température (dT) au travers d’un régulateur est fonction de la variation de pression (dP, psi) au
travers du régulateur, de la masse volumétrique du carburant (p, kg/litre), et de la chaleur spécifique (h, Joule /
kg.C). La perte de puissance (W, Watt) créée par le carburant passant dans le régulateur est fonction de la variation
de pression (dP, psi) au travers du régulateur, du débit de la pompe (Q, litre/hr). Nous obtenons donc les équations
suivantes :
W
= Q x dP / 522
dT
= 6.90 x dP / ( p x h )
3
2
2
2
2
(1/522 = 1hr/3600s x 1000cc/1L x 1m/1000000cm x 1pouce /645.16mm x 1000000mm /1m x 1kg/2.2046lb x
9.81N/1kg)
2
3
(6.90 = 1kg/2.2046lb x 1550 pouce /1m2 x 1m /1000L x 9.81N/1kg)
Exemple :
Prenons le cas d’une pompe produisant un débit de 240 litre/hr (Q), dont la pression dans le collecteur d’injecteur
est ajustée à 50 psis, dont le retour du régulateur se fait dans le réservoir ventilé à la pression atmosphérique (0
62
psi). La voiture fonctionne avec de l’essence ayant une masse volumétrique de .75 kg/litre (p), et une chaleur
spécifique de 2005 Joules / kg.°C.
Il faut d’abord calculer la variation de pression au travers le régulateur (dP), et dans ce cas, la valeur est la pression
du régulateur moins la pression dans le réservoir, soit :
dP
= 50 psi – 0 psi
= 50 psi
W
= Q x dP / 522
= 240 x 50 / 522
= 23 Watts
dT
= 6.90 x dP / ( p x h )
= 6.90 x 50 / ( .75 x 2005)
= .23 °Celsius
L’augmentation de température est faible, et il faut bien comprendre que W est applicable pour le débit d’essence
passant au travers du régulateur. Le plein débit de la pompe passera en fait dans le régulateur seulement lorsque la
pompe fonctionne, et que le moteur ne fonctionne pas. L’augmentation de la température est quant à elle
automatique et indépendante du débit. Évidemment, lorsque le débit de retour au réservoir de l’essence est faible,
l’influence de cette augmentation de température devient d’autant plus faible, une goutte de carburant dans un
réservoir ne fait pas monter sa température. Le réservoir à lui seul possède une capacité de refroidissement. Dans
l’exemple précédent, il faut imaginer qu’au pire le réservoir aura à refroidir une source de chaleur de 23 Watts.
Enfin, pour les deux types de régulateur, deux configurations sont disponibles, soit avec ou sans compensation pour
la pression à l’intérieur du collecteur du système d’admission d’air. Lorsque le régulateur possède la configuration
avec compensation, un petit tube relie le régulateur avec le collecteur d’admission et ajuste la pression du
carburant. Ce type de régulateur avec compensation est utilisé pour les applications avec systèmes de
suralimentation lorsque la pression peut influencer le débit de l’essence. Si l’on prend un moteur avec compresseur
et avec des carburateurs montés en amont du compresseur, le régulateur n’a pas besoin d’avoir une compensation
de pression. Pour un moteur à injection où l’injecteur reçoit l’essence à une certaine pression avec la sortie de
l’injecteur soumise à une pression de suralimentation, la pression effective est le résultat de la première pression
moins la deuxième. Le régulateur s’assurera que la pression effective est toujours constante, du moins avec les
régulateurs ayant une pression de compensation avec un ratio de 1 à 1. Normalement, on s’entend sur le fait que si
la pression de suralimentation est de moins de 10 psis, un régulateur compensé n’est pas obligatoire.
Exemple :
La pression effective désirée est de 50 psis, et la pression de suralimentation est de 15 psis. Lorsque le moteur
fonctionne sans charge, la pression de suralimentation est de 0 psi, ainsi le régulateur ajuste la pression de
l’essence dans le collecteur des injecteurs à 50 + 0 = 50 psi. Lorsque la pression de suralimentation atteint 15 psis,
le régulateur ajuste la pression du collecteur à 50 + 15 = 65 psi. La Figure 6-26 montre un régulateur de ce type
d’Aeromotive avec compensation, possédant un port pour installer une sonde de pression.
63
7
Le système d’échappement est un organe externe au moteur très important en terme de performance, mais
demeure une composante devant être abordée avec réflexion, car sa conception est toujours une source de
compromis. À l’admission ou même pour l’entraînement des soupapes, on peut voir beaucoup d’ingéniosité afin
d’avoir des conceptions de moteurs tentant de couvrir tous les besoins. Avec l’échappement, cela devient un peu
plus compliqué à cause à cause des températures de fonctionnement élevées.
Dans le système d’échappement se cache beaucoup de puissance, sa conception influence grandement le
comportement global d’un moteur.
Au cours des dernières années, les enjeux associés aux systèmes d’échappement ont à la fois augmenté et
diminué. Les moteurs suralimentés sont moins sensibles aux petits détails de conception de l’échappement. D’un
autre côté, de plus en plus de pistes de course imposent des règles sévères et restreignent le niveau sonore.
L’enjeu devient donc d’obtenir un système d’échappement efficace et rencontrant les normes de bruit associés aux
évènements auxquels vous participerez. Les policiers sont plus tolérants que les officiels de course…
7.1
MATÉRIAU
Le choix du matériau est assez limité pour les systèmes d’échappement, on parlera donc d’acier doux, d’acier
inoxydable et si vous êtes près à mettre le prix, de titane.
L’acier doux est le matériau le plus économique, mais la corrosion pourra vous causer des ennuis. C’est très facile
de le souder, vous pouvez acheter le matériau sous différentes formes et grandeurs. L’acier doux vous sera proposé
selon trois protections différentes contre la corrosion : sans protection; galvanisé; puis « aluminisé ».
Dans la pratique, l’acier sans protection est un peu plus difficile à se procurer, mais constitue le matériau de
prédilection si vous désirez fabriquer vous-même votre collecteur d’échappement. Vous pourrez donc en acheter
déjà plié avec mandrin. Le cintrage par mandrin assure une constante du diamètre tout au long du pliage. Le plus
économique est souvent de simplement acheter un kit de moteur V8 « à souder vous-même » où tous les tuyaux
sont déjà pliés. Vous pouvez aussi vous acheter des sections en U très utiles.
L’acier galvanisé est similaire à « l’aluminisé » et parfois il vous sera difficile de faire la différence. Si vous prévoyez
faire de la soudure, assurez-vous d’avoir « l’aluminisé » afin de vous faciliter la vie.
Figure 7-1, Ensemble à « soudé vous-même » de Hedman Hedders
L’acier inoxydable est un matériau de choix pour éliminer les risques de corrosion. Toutefois, sa disponibilité est
plus difficile. L’acier inoxydable utilisé spécifiquement pour les systèmes d’échappement est une nuance qui peut
ressembler à l’acier « aluminisé ». On ne parle pas de matériel poli comme nous sommes habitués de voir pour
l’inox. En théorie, le fait que l’inox ne corrode pas ou très peu, il serait possible d’utiliser des épaisseurs plus minces
afin de minimiser du poids. Il est néanmoins plus difficile de souder des tubes minces. Dans tous les cas, vous serez
obligé de vivre avec le matériau disponible sur le marché. Le poids est très similaire entre l’inox et l’acier. En fait,
l’inox est une nuance d’acier dans lequel une quantité importante de chrome a été ajoutée. L’inox est un matériau
de choix de par son excellente résistante à haute température.
Le titane représente le nec plus ultra qui rassemble les avantages de tous les matériaux ou presque, mais cela au
prix de certains inconvénients. Le titane est deux fois plus léger que l’acier, sa résistance mécanique est très
importante et de beaucoup supérieure à l’acier non traité thermiquement (comme l’acier utilisé pour les
échappements), et se comporte comme l’acier aux températures extrêmes. Le matériau idéal… non. Extrêmement
difficile à souder, il faut prendre beaucoup de précautions. Le matériau est rare sur notre planète et le prix s’en
reflète, vous êtes en compétition contre l’aéronautique, attentez-vous à payer le plein prix. Le réseau de distribution
64
du titane est particulièrement déficient. Dans les faits, vous ne devriez pas vous aventurer vers ce choix. Toutefois,
si vous trouvez des kits pour votre voiture, et que vous êtes prêt à payer le prix, alors c’est le meilleur choix. Mais
n’oubliez pas qu’un système d’échappement peut craquer à la longue, et vous devrez trouver une personne pour
faire les réparations.
Si vous entreprenez de faire vous-même votre système d’échappement, n’hésitez pas à mettre beaucoup de
soudure. De jolies petites soudures au TIG risquent de casser rapidement. La Figure 7-2 montre un tube
d’échappement dont la durée de vie fut très courte, seulement 2 heures sur piste. Certains manufacturiers de
systèmes d’échappement ne mettent tout simplement pas assez de soudure. Il faut comprendre que bien souvent
les tubes sont soudés bout à bout, la soudure doit joindre les tubes, en plus d’éliminer les interstices créés par
l’ajustement des pièces. L’ajout de soudure devrait comprendre au moins l’épaisseur du matériau de base, voir
même 50 % de plus. Enfin, pour les soudures avec l’inox, il peut être nécessaire de refroidir lentement la soudure.
Une soudure refroidie rapidement peut causer un risque de fissure juste à côté de la soudure.
Figure 7-2, Tube d’échappement cassé en inox
L’épaisseur du matériel vous sera donnée en « gage » (calibre en français). Un matériel de calibre 16 sera d’une
épaisseur de 1.6 mm (1/16 de pouce), mais souvent vous trouverez des tubes d’épaisseur de calibre 18, soit une
épaisseur 1.2 mm (.0475”). Plus le numéro du calibre est élevé, et plus le matériel est mince. Souder du calibre 18
demande une certaine dextérité.
Les tubes d’échappement sont disponibles en Amérique en format impérial, ne cherchez pas des tubes selon les
mesures métriques. Les dimensions proposées sont basées sur le diamètre extérieur, et vous pouvez tenir pour
acquis que les épaisseurs soient normalement de calibre 16, mais parfois de calibre 18 pour les plus petits
diamètres.
7.2
CONCEPTION
Je ne suis pas un spécialiste d’échappement, et la conception d’un système d’échappement est une spécialité en
soi. La conception d’un système d’échappement fait référence à des notions empiriques, expérimentales et
théoriques. Ici, on abordera le sujet afin de donner certaines lignes directrices qui ne sont donc pas d’absolue vérité.
Néanmoins, j’ai eu la chance d’essayer pas mal de choses, et certaines règles sont très simples. Si vous vous
renseignez beaucoup sur le sujet, vous trouverez des avis divergents sur le sujet, donc ce que vous lirez ici n’est
qu’une opinion parmi tant d’autres. Par contre, j’espère néanmoins vous donner certaines notions pouvant vous
aider à faire votre propre opinion.
En gros, nous pouvons séparer un système d’échappement en trois parties distinctes : la section primaire, la
secondaire et enfin la tertiaire.
La section primaire est la section à la sortie de la culasse, se terminant au collecteur d’union débouchant sur la
section secondaire. Dans les systèmes 4 dans 1, c’est la section qui regroupe les 4 tubes correspondants aux 4
cylindres associés. Dans un système 4 dans 2 dans 1, la section primaire est la section qui regroupe le 4 dans 2
dans 1. C’est une section très critique du système d’échappement.
La section secondaire est très simple en pratique, mais il est facile de sous-estimer son importance.
La section que j’appelle tertiaire n’est jamais abordée comme un élément critique, mais je préfère la distinguer des
autres sections. Cette section comprend donc le tube d’échappement se rendant normalement à l’arrière de
l’automobile, et inclut le ou les échappements.
Lorsqu’on tente de jouer dans le système d’échappement, il est très important de savoir ce qu’on recherche. Il ne
faut pas être trop optimiste en imaginant que notre moteur sera puissant comme pas possible en le faisant
révolutionner à des vitesses hors du commun. Le système d’échappement donne l’équilibre à un moteur.
65
Il y a beaucoup de chose qui se disent, que de la restriction c’est bon, que plus gros c’est meilleur et j’en passe.
Commençons donc par faire les gros énoncés de base d’un système d’échappement :
-
Moins de restriction favorisera une puissance maximale;
De la restriction aidera à obtenir plus de couples à bas régime;
Plus les tubes de la section primaire sont courts et plus la puissance sera déplacée vers les régimes
élevés;
La section secondaire est là pour créer un phénomène d’aspiration;
La longueur des tubes primaires gagne à être tous de la même longueur;
La longueur du tube secondaire doit être la même que la longueur du tube primaire;
Le tube secondaire gagne à être droit ou de forme la plus constante possible;
Un système 4 dans 1 donne une puissance plus élevée qu’un système 4 dans 2 dans 1;
Un système 4 dans 2 dans 1 améliore la puissance à moyen régime;
Il est important que les tubes se rejoignant créent une pulsation constante dans le tube dans lequel ils se
rejoignent;
Il y a probablement des recettes qui contredisent tous les principes précédents, validés par des tests
pour des applications particulières.
Reprenons donc un à un ces énoncés.
Moins de restriction favorisera une puissance maximale. On peut voir des moteurs V8 sur les voitures de course
d’accélération de la catégorie « Top Fuel » dont les systèmes d’échappement se limitent aux tubes primaires. Ces
moteurs sont extrêmement puissants, mais on peut aussi dire que leur utilisation est prévue pour des critères très
étroits et spécifiques. Personnellement, j’ai déjà roulé avec une moto (après un bris, sur la voie publique) dont le
système d’échappement se limitait aux 4 dans 1 mais sans le tube secondaire, et croyez-moi la moto gagnait en
chevaux, mais dans une zone de RPM extrêmement étroite.
Figure 7-3, Configuration d’un système d’échappement 4 dans 1
Une certaine restriction aidera à obtenir plus de couples à bas régime. Les motos de performance récentes dans les
grosses cylindrées sont dotées de papillons (en titane) contrôlant le passage des gaz d’échappement dans la
section secondaire. Ces valves, que l’on retrouve aussi sur des voitures exotiques comme des Aston Martin,
répondent à deux buts distincts : celui de limiter le niveau sonore à bas et moyen régime en plus d’augmenter le
couple. Mon expérience avec les motos (désolé, je n’ai pas d’Aston Martin) donne des rendements impressionnants.
Les moteurs de motos sont toujours assez simples et ne possède généralement aucun système d’avance d’arbre à
cames, pourtant, les moteurs équipés de ces systèmes atteignent des niveaux de couples insoupçonnés à bas et
moyen régime, et ce, pour des moteurs de 1 litre pouvant avoir plus de 175 HP à 11 000 rpm.
Plus les tubes de la section primaire sont courts et plus la puissance sera vers les régimes élevés. Ici, c’est une
question de longueur d’onde. J’ai déjà fait un test en changeant mon collecteur d’échappement sur une moto pour
un autre identique à l’exception que les tubes primaires étaient plus courts d’environ 40 mm, la différence était
notable. Ce type de changement devient extrêmement perceptible sur une moto.
La section secondaire est là pour créer un phénomène d’aspiration. Ce qui provoque cette aspiration n’est pas de la
restriction comme on dit souvent, mais c’est la vélocité de l’air. Lorsque les gaz passent d’un tube primaire vers le
66
tube secondaire, il se crée un vide dans les autres tubes connectés au collecteur d’union. Plus le diamètre du tube
secondaire est petit et plus la vitesse des gaz sera élevée ce qui se traduira par une force d’aspiration plus élevée.
Toutefois, si le tube est petit la restriction sera d’autant plus grande. Il faut donc trouver un équilibre. Et ici, on parle
réellement de la mécanique des fluides. Il faut donc comprendre que l’effet de ces vitesses et restrictions est
pleinement efficace à un régime spécifique. C’est aussi pour cela qu’on trouvera souvent des tubes secondaires
d’assez petit diamètre sur les systèmes d’échappement court comme les motos. Sur les autos, le fait que le tube
secondaire soit généralement très long augmente l’inertie, mais ce n’est jamais très clair, d’où ma distinction avec la
section tertiaire. Il ne faut donc pas penser que le tube secondaire doit avoir une superficie équivalente à la somme
des tubes s’y jetant.
La longueur des tubes primaires gagne à être toute de la même longueur. Évidemment si l’on considère que le
système d’échappement est conçu en fonction de longueur d’onde, cela équivaut à dire que des tubes de longueurs
variables vont influencer différemment le remplissage et la vidange des cylindres. Toutefois, il y a bien des systèmes
qui proposent des longueurs différentes entre les tubes et en vente les mérites.
La longueur du tube secondaire doit être la même que la longueur du tube primaire. Dans les faits, le tube doit être
d’au moins la longueur des tubes primaires. J’ai déjà fait des tests avec un tube secondaire d’une longueur
d’environ 75 mm (l’arrangement se devait d’être très compact sur une auto à moteur central), et le résultat était une
vraie catastrophe. Le moteur avait des trous de puissance à certains régimes et il devenait littéralement impossible
d’obtenir un réglage optimal. Le moteur était à carburateur ce qui limite la flexibilité de réglages. La flexibilité de
réglages d’un système injection aurait sûrement permis d’atteindre un comportement agréable, mais probablement
non optimal.
Le tube secondaire gagne à être droit ou de forme la plus constante possible. Vous allez trouver que j’ai fait bien de
drôles d’expériences (disons que j’étais jeune et fou). Toujours sur l’automobile que je faisais référence dans le
paragraphe précédent, j’avais simplement installé des sections de tubes afin de diriger les gaz vers une autre
direction en vue de rejoindre le silencieux. Au départ, j’avais utilisé des tubes cintrés avec de faibles rayons de
courbures. Encore une fois, je n’arrivais pas à obtenir une plage de puissance sans trou. Finalement, j’ai décidé de
changer les tubes par des tubes cintrés avec des rayons de courbures beaucoup plus importants. Le résultat
cherché fut instantané. Cette section doit créer un débit le plus constant possible.
Un système 4 dans 1 donne une puissance plus élevée qu’un système 4 dans 2 dans 1. Ici, il vous faut faire acte de
foi et vous fier à l’expérience et à ce qu’on voit sur les véhicules. La raison de cet avantage en termes de puissance
est une question de dynamique des fluides. Mais cette conception prend de l’encombrement, on se retrouve avec 4
tubes qui s’entremêlent.
Un système 4 dans 2 dans 1 améliora la puissance à moyen régime. Ici, il vous faut encore faire acte de foi et vous
fier à l’expérience et à ce qu’on voit sur les véhicules. La raison de cet avantage en termes de puissance est une
question de dynamique des fluides.
Figure 7-4, Configuration d’un système d’échappement fait sur mesure
Il est important que les tubes se rejoignant créent une pulsation constante dans le tube dans lequel ils se rejoignent.
Prenons l’exemple d’un 4 cylindres en ligne dont l’ordre d’allumage est 1-3-4-2. Évidemment, le cycle complet
67
d’allumage se fait sur 720 degrés (2 tours), alors qu’un allumage se fait à tous les 180 degrés (en général, mais
certaines motos de compétition ne respectent pas cette séquence, ou même la Yamaha R1 2009). Si l’on installe un
collecteur d’échappement de type 4 dans 2 dans 1, la norme indique que la tubulure du cylindre 1 doit s’amalgamer
avec celui du cylindre 4 afin que la séquence d’échappement soit constante à tous les 360 degrés. On peut parfois
voir des arrangements où le 1 est branché avec le 2 et le 3 branché avec le 4. Dans ce cas, on observe que pour
l’ensemble 1-2, la séquence d’échappement se fera selon des temps 540 – 180 degrés. Pour l’ensemble 3-4, la
séquence d’échappement se fera selon des temps 180 – 540 degrés. Pour des raisons de réglages du moteur, on
tente d’avoir chaque cylindre réagissant de la même façon afin que les réglages soient communs. Disons qu’il est
assez rare qu’on prenne la peine de faire des ajustements différents par cylindre.
Le moteur est un ensemble où chaque pièce s’emboîte pour former un tout. On verra des moteurs dont la
conception devrait les rendre très pointus, mais pour lesquels les manufacturiers installent des échappements
favorisants les moyens régimes. On verra aussi de gros V8 qui, par leur conception de base avec de petites
tubulures d’admission et une surface de soupape relativement faible par rapport à leurs cylindrées, ont beaucoup de
couples. Dans ces cas on les verra souvent couplés à des collecteurs d’admission très agressifs ainsi que des
systèmes d’échappement dont les formats des tubes secondaires font tout pour maximiser les hauts régimes.
Les moteurs 6 cylindres gagnent à séparer normalement le système en deux, et l’ordre d’allumage usuel de 1-5-3-62-4 permet de joindre ensemble les tubes 1-2-3 et 4-5-6. Si l’on respecte l’ordre d’allumage, on retrouve donc 1-3-2
et 5-6-4, le tout espacé de 240 degrés.
Figure 7-5, Collecteur 4 dans 2 dans 1 de
Hedman Hedders
Figure 7-6, Système d’échappement SLP PERFORMANCE
Les moteurs V8 présentent une difficulté différente. Pour des raisons d’équilibrage, les vilebrequins sont faits selon
le type à quatre plans à 90 degrés. L’ordre d’allumage le plus fréquent est 1-8-4-3-6-5-7-2 (bien que le résultat soit
le même qu’avec les moteurs ayant un ordre d’allumage de 1-3-7-2-6-5-4-8). Ainsi, basés uniquement sur la
dynamique, nous aurions donc tendance à brancher les cylindres 1-4-6-7 et 2-3-5-8 ensembles. Du fait que d’un
côté du moteur nous avons les cylindres 1-3-5-7, alors que de l’autre nous avons 2-4-6-8, il devient clair que de
tenter de brancher ensemble les tubes d’échappement selon l’ordre d’allumage devient physiquement impossible.
Cela explique pourquoi on retrouve souvent un branchement dans le système d’échappement pour relier ensemble
les deux collecteurs provenant de chaque rangée. Normalement, ce branchement doit être le plus près possible des
collecteurs d’union, et doit être d’un diamètre 1.5 supérieur de celui des tubes primaires. Cet aménagement des
tubes expliquent aussi pourquoi la sonorité d’un V8 ne ressemble pas à la sonorité de deux 4 cylindres.
Les équations ne courent pas les rues pour le dimensionnement des systèmes d’échappement. J’utilise depuis des
lustres les équations de la référence « Four-Stroke Performance Tuning ». Je crois pouvoir dire que j’ai souvent
eu de bons résultats. De plus, les systèmes que j’ai souvent achetés respectaient les résultats des calculs. On
suivra donc les mêmes équations selon l’ordre suivant :
Calcul de la longueur (P) des tubes primaires (toutes les mesures sont en pouce):
P = 850 x ED / RPM – 3
Où :
RPM
ED
= vitesse du moteur pour lequel le collecteur est ajusté
= 180 + le nombre de degrés que les soupapes d’échappement s’ouvrent avant le point mort bas.
Il faut être raisonnable sur le choix du RPM. La valeur peut varier entre le RPM où vous souhaitez avoir le maximum
de couple et le RPM où vous souhaitez avoir le maximum de puissance. La Table 7-1 donne les valeurs de longueur
de tube primaire pour différentes ED et RPM.
68
Calcul du diamètre intérieur des tubes primaires :
PD = 2.1 x √(Vmc / (( P + 3) x 25))
Où :
Vmc
P
= Cylindrée du moteur par cylindre en cc
= Longueur des tubes primaires
RPM
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
12000
12500
13000
13500
14000
Ouverture des soupapes d'échappement avant le point mort bas
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
41.6 42.7 43.8 44.8 45.9 46.9 48.0 49.1 50.1 51.2 52.3
36.7 37.6 38.6 39.5 40.4 41.4 42.3 43.3 44.2 45.2 46.1
32.7 33.6 34.4 35.3 36.1 37.0 37.8 38.7 39.5 40.4 41.2
29.5 30.2 31.0 31.8 32.5 33.3 34.1 34.9 35.6 36.4 37.2
26.8 27.5 28.2 28.9 29.6 30.3 31.0 31.7 32.4 33.1 33.8
24.5 25.1 25.8 26.4 27.1 27.7 28.4 29.0 29.7 30.3 31.0
22.5 23.1 23.7 24.3 24.9 25.5 26.1 26.8 27.4 28.0 28.6
20.8 21.4 21.9 22.5 23.1 23.6 24.2 24.8 25.3 25.9 26.5
19.3 19.8 20.4 20.9 21.4 22.0 22.5 23.0 23.6 24.1 24.6
18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0
16.8 17.3 17.8 18.3 18.7 19.2 19.7 20.1 20.6 21.1 21.6
15.8 16.2 16.7 17.1 17.6 18.0 18.5 18.9 19.4 19.8 20.3
14.9 15.3 15.7 16.1 16.6 17.0 17.4 17.8 18.3 18.7 19.1
14.0 14.4 14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0
13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 15.2 15.5 15.9 16.3 16.7 17.1
12.5 12.9 13.3 13.6 14.0 14.4 14.7 15.1 15.5 15.8 16.2
11.9 12.2 12.6 12.9 13.3 13.6 14.0 14.4 14.7 15.1 15.4
11.3 11.6 12.0 12.3 12.6 13.0 13.3 13.7 14.0 14.3 14.7
10.7 11.1 11.4 11.7 12.0 12.4 12.7 13.0 13.3 13.7 14.0
10.2 10.5 10.9 11.2 11.5 11.8 12.1 12.4 12.7 13.1 13.4
9.8 10.1 10.4 10.7 11.0 11.3 11.6 11.9 12.2 12.5 12.8
Table 7-1, Longueur des tubes primaires (P)
Évidemment, le choix de PD doit se faire en fonction du matériau disponible. Un diamètre plus gros augmente la
puissance à haut régime au détriment de la puissance aux régimes moins élevés. Augmenter la longueur des tubes
primaires a l’effet de déplacer la courbe de couple vers le bas.
Pour les systèmes 4 dans 2 dans 1, définissons que P1 est la longueur de la première section de tube primaire, et
P2 la deuxième section. La longueur de P1 doit être d’environ 15 pouces, et de là nous obtenons :
P1 = 15 pouces
P2 = P – P1
Le diamètre des tubes primaires de la première section (P1) est le même que PD. Le diamètre (PD2) de la
deuxième section (P2) est différent et doit correspondre à ce qui suit :
PD1 = PD
2
PD2 = 0.93 x √(PD1 x 2)
Calcul du diamètre du tube secondaire (SD) :
SD = 2 x √(2 x Vmc / (( P + 3) x 25))
Il faut maintenant calculer le collecteur d’union. Dans ce cas, il faut d’abord discuter de l’angle du cône formé par la
transition. L’angle (A) de transition devrait être d’environ 7 à 8 degrés (donc 14 à 16 degrés inclus). On obtient donc
que la longueur du cône est :
U = ( PDX + 0.0625– SD/2) / tan (A)
69
Où:
PDX
= PD ou PD2 en fonction du tube s’y jetant
Tan (A) = 0.123 pour 7 degrés, 0.141 pour 8 degrés
Le calcul de la longueur du tube secondaire (S) :
S=(P+3)-U
Exemple :
Moteur 4 cylindres de 1800 cc dont on veut concevoir un collecteur d’échappement 4 dans 1 optimisé pour un
régime de 7250, et dont l’arbre à cames s’ouvre à 36 degrés avant le point mort bas.
P
PD
SD
U
S
= 850 x ED / RPM – 3
= 850 x (180 + 36) / 7250 – 3
= 22.3
= 2.1 x √(Vmc / (( P + 3) x 25))
= 2.1 x √(450 / (( 22.3 + 3) x 25))
= 1.77
= 1.75 (matériel disponible)
= 2 x √(2 x Vmc / (( P + 3) x 25))
= 2 x √(2 x 450 / (( 22.3 + 3) x 25))
= 2.385
= 2.375 (matériel disponible)
= ( PDX + 0.0625 – SD/2) / tan (A)
= ( 1.75 + 0.0625 – 2.375/2) / .123
=5
=(P+3)–U
= ( 22.3 + 3 ) – 5
= 20.3
Évidemment, comme vous l’avez sûrement remarqué, ce sont des équations relativement simples, qui ne tiennent
pas compte d’un tas de facteurs comme la dimension des ports de sorties sur la culasse, ainsi que la puissance du
moteur. Ces équations sont un point de départ et des essais sur dynamomètre pourront mettre en relief ce que vous
obtenez en vue de faire les corrections désirées.
Pour le collecteur d’union, plusieurs manufacturiers en fabriquent, mais rarement aux bonnes dimensions pour les
moteurs de petites cylindrées, il faut les faire soi-même, mais c’est beaucoup de travail, presque autant que faire le
reste du collecteur.
Nous en sommes maintenant à la section tertiaire du système d’échappement. Mes recommandations sont
pragmatiques, et consistent à mettre les composantes les plus grosses possible en vue de réduire au maximum la
restriction. Et si vous voulez de la restriction, c’est toujours simple d’ajouter un petit silencieux de marque
Supertrapp au bout de votre ligne d’échappement, en plus d’offrir un ajustement du niveau sonore (voir Figure 7-7).
Cela peut paraître étrange d’ainsi augmenter le tube après la section secondaire, mais si l’on pouvait, c’est bien là
où on couperait le système d’échappement s’il n’y avait pas de norme de bruit, n’est-ce pas?
Figure 7-7, Silencieux de type à disque de Supertrapp
Au-delà des dimensions, il faut prévoir des joints d’expansions ou flexibles en fonction de l’arrangement général. La
Figure 7-4 montre un système sans aucun joint fonctionnel avec un échappement monté directement sur la
transmission. Toutefois, en général, il faut des joints flexibles. Il faut faire particulièrement attention avec les
systèmes fonctionnant en boucle fermée se servant de la sonde d’oxygène dans le système d’échappement. L’air
s’infiltrant en amont de la sonde influence la lecture, ce qui modifie le dosage AFR. Il faut aussi tenir compte du
mouvement naturel du moteur. Un moteur avant sur une voiture à propulsion aura tendance à tourner autour de
70
l’arbre d’entrainement allant à l’essieu arrière. Une voiture avec le groupe moteur-transmission monté ensemble
dont les arbres de transmission sont directement reliés aux roues aura tendance à tourner autour de l’axe des
roues.
7.3
SILENCIEUX / CATALYSEUR
Lorsque votre véhicule est équipé d’un catalyseur, il est interdit de l’enlever lorsque vous utilisez votre voiture sur les
routes. Le catalyseur est un des éléments principaux pour diminuer le niveau de pollution. Lors de l’explosion dans
le moteur, la température devient très élevée et crée différents gaz nocifs pour l’environnement.
Le catalyseur s’installe dans la section secondaire du système d’échappement, le plus près possible du collecteur
d’union. Je trouve personnellement que le son d’un moteur équipé d’un catalyseur est assez noble dans la mesure
où le son devient un peu plus grave. Évidemment, un catalyseur peut poser certains problèmes pour une voiture
modifiée. D’abord, le catalyseur risque de ne pas apprécier les mélanges riches. Ensuite vient le risque de
bouchage lorsque la voiture est exploitée à fond, à ce stade les effets peuvent devenir curieux, l’air s’échappant du
système d’échappement devient très chaud et le débit devient anormalement faible. Un catalyseur bouché peut
causer des dommages au moteur. Ensuite, il s’installe dans la section secondaire, là où on souhaite l’air le plus
stable possible pour une meilleure efficacité de pompage. L’enlever participe à la pollution et n’entraine tout de
même pas un gain de puissance incroyable. Par contre le risque de problème disparaît.
Lorsqu’il y a un catalyseur, le diamètre de ce dernier est toujours plus grand que le diamètre du tuyau s’y jetant. Afin
d’avoir une transition la plus efficace possible, A. Graham Bell (voir référence) recommande d’utiliser un angle de 10
à 12 degrés à l’entrée du catalyseur, et un angle de 12 à 15 degrés à la sortie.
Un silencieux est un élément très simple en soi, malgré le fait qu’il y a différentes configurations disponibles. Si vous
espérez un maximum de puissance et un niveau sonore respectant les règles appliquées sur différentes pistes, je
vous souhaite déjà bonne chance. Nous sommes donc au même point vous et moi dans notre recherche du
compromis idéal.
Un silencieux sert essentiellement à récupérer l’énergie sonore en l’atténuant dans des matériaux absorbants.
Certains concepts tentent de briser les ondes avec des murs ici et là dans l’échappement avec de bons succès.
Dans certains silencieux, les gaz sont littéralement lancés sur un mur acoustique d’absorption (voir Figure 7-8)
avant de retourner vers des parois souvent perforées, puis enfin vers la sortie. L’énergie acoustique est dissipée en
chaleur. Il y a un gain à avoir un silencieux le plus gros possible pour absorber les variations de débit. Le débit dans
un échappement n’est pas linéaire, il fluctue en fonction du rythme de l’échappement des cylindres qui se fait en
alternance et crée des pulsations. De plus, le fait de diminuer la vitesse des gaz d’échappement en réduit en peu
son énergie.
Il n’y a pas de miracle, il faut parfois essayer différents échappements si l’on a des critères de niveau de bruit ou de
sonorité.
Il y a aussi les silencieux de type « résonateur », qui sont généralement faits d’un tube en long perforé avec un
matériau absorbant tout le long. Dans ce cas, la restriction est minimale, le résultat peut être surprenant à bas
régime avec le moteur peu sollicité. Mais lorsque la vélocité des gaz augmente de façon importante, le tube n’est
jamais assez long pour faire son travail, le niveau sonore peut atteindre des valeurs très élevées.
Figure 7-8, Principe du silencieux d’origine de la
Lotus Elise
Figure 7-9, Principe d’un silencieux FLOWMASTER
71
Dans les faits, les silencieux avec matériaux acoustiques représentent un des moyens les plus efficaces pour
réduire le niveau sonore. Toutefois, il y a de grandes chances que graduellement le matériau acoustique se dégrade
et se repende dans l’air. En ce sens, les silencieux sans matériau acoustique tel que les « Flowmaster » sont plus
stable dans le temps. Idéalement, la solution peut être un mélange des deux avenues.
Pour ceux qui pensent aller tourner sur des circuits avec des limites de bruit, sachez que c’est un cauchemar
d’organisation. D’abord, bien souvent le règlement indiquera que la norme de bruit est fixée à une valeur telle que
91 dB (a). L’unité dB(a) est l’unité de mesure par laquelle on quantifie le niveau sonore. Toutefois à cette valeur il
faut normalement associer une distance et une direction, ce qui n’est généralement pas spécifié. On s’entend que
ceux qui établissent les règles ne sont pas des spécialistes en acoustique. Ainsi, la seule façon pour vous de savoir
si vous rencontrez la norme applicable est de vous présenter à l’évènement, puis de voir à ce moment si vous êtes
conforme. Parfois, la mesure est faite aux abords de la piste, parfois sur la piste. Si vous êtes trop bruyant, on vous
laissera la chance une seule fois d’ajuster le niveau sonore de votre bolide avant de retourner sur la piste. Il vaut
mieux prévoir des pièces ou des solutions avant de vous rendre à l’évènement si vous croyez que votre voiture
risque d’être trop bruyante.
7.4
PAPILLON DE CONTRÔLE DE RESTRICTION
Cette pièce n’est pas disponible en pièce de performance, c’est bien dommage. Elle consiste en une valve de type
papillon similaire à ce qu’on trouve pour le papillon d’admission. Les véhicules ayant de tels systèmes utilisent un
petit servomoteur pour contrôler l’ouverture du papillon. Le degré d’ouverture est fonction du régime du moteur. Ces
petites merveilles assurent une certaine restriction dans le système d’échappement pour obtenir un couple optimal,
et s’ouvrent complètement à haut régime pour pouvoir tirer le maximum de puissance.
Ces systèmes permettent aussi d’atténuer le niveau sonore en usage routier.
7.5
ISOLATION THERMIQUE
Il y a parfois des débats sur la pertinence d’isoler thermiquement les tubes du collecteur d’échappement. Le but est
d’augmenter la vitesse de l’écoulement pour augmenter l’effet d’inertie, cela afin de permettre une pression
négative, qui à son tour permet de vider la chambre de combustion vers la fin du cycle d’échappement. Bon ou pas
bon? Honnêtement, je ne crois pas qu’il y ait un gain incroyable s’il y en a un. À la limite, c’est un peu comme vous
proposer de diminuer le diamètre des tubes primaires, alors ça vous dit? Pour moi, c’est parfois utile d’isoler les
tubes afin de limiter la chaleur près du système d’échappement. Par contre, le matériel isolant se détériore souvent
rapidement.
C’est un peu la même chose pour les recouvrements de céramique, mais dans ce cas, il y a un véritable gain contre
la corrosion pour les systèmes fabriqués en acier.
7.6
SONDES
Afin de vous permettre de savoir avec précision le mélange AFR de votre moteur, il peut être utile d’installer une ou
plusieurs sondes d’oxygène sur votre système d’échappement. Pour les voitures injections, il y a toujours une telle
sonde installée et reliée à l’ECU. Toutefois dans ce cas, vous n’avez pas accès à la lecture à moins d’avoir accès au
signal entrant de l’ECU.
Tout d'abord, il faut normalement installer la sonde le plus près possible de la culasse, généralement, on l’installe
près du collecteur d’union.
Il y a deux types de sonde d’oxygène : celle à bande de lecture étroite (Narrow band) et celle à bande de lecture
large (Wide band). Si vous voulez ajouter une sonde en vue de pouvoir réellement lire l’AFR, votre seule véritable
option est la version à large bande de lecture. Ne touchez pas les types à bande étroite, le temps de réponse est
trop long, puis vous ne serez pas en mesure de vérifier l’AFR avec le moteur à plein régime. Un bon rapport
qualité/prix est le kit de AEM tel que montré à la Figure 7-10. Dans ce cas, la jauge peut fournir un signal à l’ECU
pour les systèmes de performances. NGK fabrique aussi de très bon système dans la série Powerdex AFX. Il faut
généralement souder sur votre système d’échappement un petit anneau prévu pour recevoir la sonde ayant un filet
de M18x1.5.
La vie de la sonde à lecture à large bande est influencée par le mélange AFR, sa vie peut devenir relativement
courte lorsque les réglages sont en dehors de son champ d’opération. Les sondes à bande étroite sont encore plus
72
sensibles. C’est pourquoi nombre de pilotes avec des voitures injections préparées pour la course préfèrent
fonctionner en boucle ouverte afin de ne pas être assujetti aux aléas de la sonde.
Figure 7-10, Gauge AFR UEGO à bande large d’AEM
Bien que pratique, une sonde vous aide à savoir votre mélange AFR alors qu’auparavant on se fiait à la couleur des
bougies le long de la céramique. La jauge vous indique l’AFR, mais elle ne vous dira pas la valeur idéale pour votre
moteur, qui peut varier aussi en fonction du régime moteur. Seul un réglage sur dynamomètre vous procurera une
réponse hors de tout doute.
Afin d’avoir une lecture fiable, le système d’échappement ne doit pas fuir ou laisser entrer de l’air en amont de la
sonde.
Il est aussi possible d’installer une autre sonde afin de surveiller votre moteur, en vue de faire les réglages
appropriés, soit une sonde mesurant la température à l’échappement. La température d’échappement est influencée
par l’AFR, mais davantage par l’allumage. Le terme usuel pour les sondes de température d’échappement est EGT
(exhaust gas temperature). La température devrait se situer entre 775 et 810 Celsius maximum lors d’un usage
continu. Ces sondes sont généralement installées sur les moteurs suralimentés. Une température trop élevée peut
conduire à une vie écourtée de votre moteur, une sonde EGT peut devenir un bon investissement si votre moteur
fonctionne avec une pression élevée de suralimentation.
73
8
CULASSE
La culasse contient une grande part des composantes d’un moteur. La culasse inclut les canalisations d’admissions
et d’échappements, la chambre de combustion, un entrelacement de galeries où passe le liquide de refroidissement,
les soupapes, bien souvent les arbres à cames et j’en passe.
L’aluminium est bien souvent le matériau de prédilection pour cette pièce, et ce fait s’explique pas ses qualités de
transfert de chaleur et de légèreté. Chauffer une barre d’aluminium et rapidement la barre entière sera chaude. La
fonte est beaucoup moins conductrice thermiquement. Cette caractéristique permet d’utiliser des rapports de
compression plus élevés en réduisant les points chauds.
Les moteurs plus anciens utilisaient des culasses en fonte qui sont très lourdes. Pour les moteurs américains
d’époques, bien souvent, des culasses de remplacement en aluminium sont offertes comme pièce de performance.
On sera souvent tenté de modifier la culasse en priorité par rapport au bas du moteur. Les modifications à la
culasse permettent d’obtenir des gains de puissance rapidement. Cependant, elles ne garantissent pas l’endurance
du moteur. On peut modifier le rapport de compression, agrandir les soupapes, modifier les canalisations
d’admission et d’échappement. Il y a plusieurs pièces et caractéristiques à tenir en compte dont il sera question tout
au long de ce chapitre. J’ai intentionnellement décidé d’inclure les arbres à cames dans ce chapitre bien que
certains moteurs intègrent un arbre à cames dans leur bloc moteur.
8.1
SOUPAPE
Les soupapes ont la tâche de sceller la chambre de combustion en phase de compression et de détente. Elles
s’ouvrent et se referment selon la commande de l’arbre à cames.
La technologie des métaux employés pour la fabrication des soupapes va très loin, ainsi que le mode de fabrication.
On retrouvera généralement différents types d’aciers alliés ou d’aciers inoxydables. L’acier inoxydable offre des
performances très élevés à haute température. On retrouve certaines nuances plus ou moins ductiles, il peut être
difficile de s’y retrouver, d’autant plus que l’information n’est pas toujours claire. Le marché de performance offre
des soupapes de très bonne qualité pouvant dépasser la qualité des pièces d’origine. Le nec plus ultra des
soupapes est l’utilisation de soupape en titane. Le titane est un matériau très résistant et ayant un poids situé entre
le poids de l’aluminium et de l’acier. C’est donc une très belle application pour les soupapes. Par contre, le prix de
revient devient rapidement hors de budget. De plus, sa résistante thermique est inférieure à l’acier inoxydable.
L’inox devient de ce fait le choix le plus judicieux pour les moteurs suralimentés.
Idéalement, la soupape doit être en mesure de résister aux températures de fonctionnement. Elle doit résister aux
efforts mécaniques, les systèmes à culbuteurs entrainent une force de coté sur le haut de la tige de la soupape. Les
moteurs japonais avec levée variable des soupapes utilisent souvent des systèmes de culbuteurs alors que les tiges
de soupapes sont très délicates. Un culbuteur entraine un effort de côté sur le haut de la tige. Dans des cas
extrêmes où les ressorts sont plus fermes et que le moteur tourne à des régimes plus élevés, la soupape peut
casser où la section devient plus petite où la barrure d’installe. Enfin, en cas de pépin, une soupape devrait être
apte à plier et non pas casser. J’ai déjà installé des soupapes de performance dont certaines ont plié alors que
d’autres ont cassé avec peu de déformation. Cela laissait croire à un problème de qualité. Les soupapes Ferrea
représente une des marques très sérieuse dans ce domaine.
Des soupapes d’admissions et d’échappements, celles d’échappements sont celles qui ont la tâche la plus difficile.
Les gaz d’échappement peuvent devenir extrêmement chauds, des flammes peuvent passer par l’ouverture
d’échappement. Ainsi, la soupape d’échappement peut donc voir des températures aussi élevées que 900 Celsius.
Le refroidissement de la soupape se fait par l’échange thermique entre celle-ci et son siège, alors que ce dernier est
refroidi par le liquide de refroidissement parcourant la culasse. Dans ces conditions, le jeu entre la tige de soupape
et son guide situé à l’intérieur de la culasse est important et doit être suffisant pour ne jamais causer de grippage. Si
vous comptez mettre un système de suralimentation sur votre moteur, un jeu additionnel de .025 mm peut être
conseillé par rapport au jeu préconisé d’origine.
Les guides de soupapes sont souvent scellés avec la tige de la valve avec un petit joint étanche. Les joints
d’origines sur les moteurs modernes sont normalement très fiables. Le joint peut être différent en fonction de son
utilisation, parfois, celui allant à l’échappement sera fait d’un matériau plus résistant aux hautes températures, dans
ce cas, sa couleur sera différente.
74
La forme des soupapes d’admission et d’échappement n’est pas la même. La forme de la soupape d’admission est
plus évasée au niveau de la tête, et son angle doit être harmonisé avec la chambre de combustion. La forme de la
soupape d’échappement est normalement davantage en forme de tulipe afin de s’accommoder à la direction du
débit des gaz.
Lorsqu’on inspecte la canalisation au niveau du siège, on remarque généralement de façon plus ou moins
importante le mauvais alignement de la soucoupe du siège avec la canalisation. On peut ainsi remarquer une
transition souvent abrupte. De plus, l’outil d’usinage de la cavité d’insertion du siège laisse souvent sa trace avec
encore une fois des transitions abruptes. La Figure 8-2 montre un peu ce à quoi vous pouvez vous attendre.
Figure 8-1, Forme des soupapes
Figure 8-2, Siège de soupape d’origine
La Figure 8-3 montre un siège ajusté afin de rendre les transitions plus progressives. La largeur du siège dépend de
votre moteur. Comme point de départ, vous pouvez vous baser sur les recommandations du manufacturier. La
largeur du siège est plus critique sur la soupape d’échappement, car c’est lui qui assure en bonne partie son
refroidissement. Lorsque le siège est trop étroit, la surface de contact entre lui et la soupape peut bruler
compromettant l’étanchéité. La section à 30 degrés est généralement assez étroite, d’au plus 1 mm. La section à
55-70 degrés est souvent d’une longueur comprise entre 2 et 3 mm en fonction du diamètre de soupape.
Vous pouvez faire affaire avec des personnes spécialisées dans la préparation de culasse de course. Ils seront en
mesure de vous offrir une expertise importante.
Figure 8-3, Siège de soupape modifié
À l’extrême, les surfaces en angles de la Figure 8-3 deviennent des courbes pour une transition encore plus
progressive. Les centres d’usinages procédant à ces modifications possèdent des couteaux sophistiqués.
En respectant ces dimensions, vous noterez que le trou de passage de l’air devient beaucoup plus petit que la
soupape elle-même. Le but est de maximiser la vélocité avec une restriction minimale. Les transitions abruptes ont
plus d’incidences qu’un passage légèrement plus petit. J’ai toutefois souvent remarqué que pour l’échappement, sur
75
les moteurs hautes performances de moto, la section de 55 à 70 degrés devient tout simplement tout près de 90
degrés. L’admission est toutefois plus critique et une attention particulière est toujours souhaitée de ce côté.
Si vous avez beaucoup de pièces, il est toujours bon de choisir les culasses ayant les sièges les mieux alignés aux
trous de passage. D’un moteur à l’autre, vous trouverez des variations notables. C’est ces petites variations qui
provoquent la différence de puissance d’un moteur à l’autre à la sortie des chaines d’assemblages. De plus en plus,
les manufacturiers laissent un peu de matériel en extra. Les procédés d’usinage numériquement viennent faire des
ajustements de précisions aux endroits où les pièces se joignent.
8.2
RESSORT
Les ressorts se chargent principalement d’assurer le rappel des soupapes lors de leur fermeture. Ils sont aussi
utilisés pour maintenir une charge suffisante des soupapes sur le siège, ce qui devient encore plus important pour
les moteurs suralimentés. On peut considérer les ressorts de soupape comme un mal nécessaire. Néanmoins, peu
de moteurs optent pour une solution différente. Ces variations se limites essentiellement à des systèmes de rappel
de soupapes utilisant de l’air comprimé, ou des systèmes complexes de type desmo que nous retrouvons sur les
moteurs de motocyclette de marque Ducati. Un jour peut-être verra-t-on des systèmes avec solénoïde électrique,
mais ces solutions arriveront peut-être en même temps que le glaive sur les moteurs à combustion.
Les ressorts se chargent d’une fonction très simple qu’est le rappel des soupapes. C’est une tâche simple, mais très
critique. Un ressort est soumis à des efforts importants et sa vie est faite de variations de contraintes. La fatigue du
matériau devient un enjeu crucial. Un ressort se cassant peut littéralement causer la destruction d’un moteur. La
force du ressort est particulièrement critique lorsque vous comptez augmenter le régime maximal de votre moteur.
Un ressort trop mou n’assurera pas que la soupape suive la came, on appelle généralement ce phénomène
« flottement ». Un flottement excessif augmente les chocs de la tête de soupape sur son siège pouvant causer sa
rupture par fatigue. De plus, un flottement excessif peut causer le contact des soupapes d’échappement sur le
piston, causant un risque important de bris des soupapes. La solution est d’augmenter la force du ressort
impunément! Non, une force trop grande augmente considérablement la pression sur les organes mécaniques
pouvant causer une usure excessive. Côté histoire personnelle, mon record absolu est une durée de vie d’un arbre
à cames d’à peine 30 minutes… J’étais à mes débuts sur les moteurs d’auto, les moteurs de moto ne m’avaient pas
habitué à vérifier la dureté des poussoirs en contact avec l’arbre à cames.
Un ressort possède des caractéristiques spécifiques qui vous seront fournies dans les catalogues. Heureusement, il
y a plusieurs fournisseurs offrant des ressorts de qualité. On peut néanmoins distinguer quelques approches :
-
Ressorts fournis par votre fournisseur d’arbre à cames pour une application spécifique;
Ressorts fournis pour votre moteur sans données techniques des arbres à cames;
Ressorts fournis selon les caractéristiques.
La première approche est probablement la plus courante, c’est aussi celle demandant le moins d’expertise en la
matière. Vous utilisez la connaissance de votre fournisseur, généralement tout se passe dans le meilleur des
mondes. Le fournisseur de l’arbre à cames vous suggérera des ressorts agencés à l’arbre à cames vendu, en
stipulant le régime maximal.
Figure 8-4, Différentes définitions de longueur d’un ressort de soupape
Il y a bien sûr des ressorts qui vous sont offerts et qui ne sont pas systématiquement prévus pour un arbre à cames
spécifique. Le choix est souvent immense, vous êtes souvent heureux d’avoir les caractéristiques techniques, par
contre vous ne savez pas forcément s’ils répondront à vos besoins. Dans ces cas, la nécessité d’avoir les
76
caractéristiques complètes des ressorts est très importante, cela afin de pouvoir les comparer aux caractéristiques
des ressorts d’origines. Lorsque vous préparez des moteurs moins populaires, vous ne trouverez à peu près rien
comme information. Parfois vous devrez vous reposerez sur des conseils douteux. J’ai déjà acheté des ressorts
dont je n’ai jamais osé en faire l’installation. Encore ici, il est fortement conseillé de faire affaire avec un spécialiste
compétent.
Évidemment, un ressort est un ressort, vous pouvez toujours décider de faire la sélection de ressorts selon les
caractéristiques techniques, puis en vous assurant vous-même que le tout est conforme à votre besoin. Ici, le
principal enjeu est de savoir ce dont on a besoin. Une approche mathématique devient rapidement la seule façon de
procéder pour faire la sélection des composantes. Ce travail demande beaucoup d’effort, peut vous conduire à
réusiner la culasse pour recevoir les nouveaux ressorts, voir même de devoir faire usiner des rondelles de retenues
pour les ressorts.
Les caractéristiques d’un ressort se résument normalement à ce qu’on trouve dans l’exemple suivant :
Manufacturier
Eibach
Application
Toyota 2ZZ
Numéro de pièce
20407.116
Type
Ressort simple
Diamètre extérieur
22.5 mm
Diamètre intérieur
15.7 mm
Force installée (Seat pressure)
48 Ibs @ 39.4 mm
Force comprimée (Open pressure)
147 Ibs @ 26.9 mm
Levée maximale (Max. Lift)
12.5 mm
Longueur serrée
25 mm
Table 8-1, Caractéristique d’un ressort de soupape
La caractéristique « ressort simple » indique que le ressort sera installé seul. Bien des moteurs demandent 2
ressorts, on dira donc dans ces cas « ressorts doubles ». Le diamètre extérieur ainsi que le diamètre intérieur sont
les dimensions du ressort et permettent de s’assurer que les dimensions sont bien compatibles avec les rondelles
de retenues que vous avez en main. Certaines configurations demanderont d’usiner la culasse ainsi que de changer
les rondelles de retenue. Un outil peut même vous être proposé afin d’usiner vous-même la culasse pour
accommoder les nouveaux ressorts. La force installée vous donne la force avec laquelle la soupape s’appuiera sur
son siège si vous installez la soupape dans un espace de 39.4 mm. La dimension de montage que vous allez utiliser
peut néanmoins différer de cette dernière. Augmenter la charge au siège est un moyen pour réduire légèrement le
flottement des soupapes, mais le niveau de bruit du moteur peut augmenter lui aussi. La force comprimée est très
importante, et correspond à la charge maximale qui sera transmise à la came. Augmenter la charge comprimée
permet de réduire le flottement du moteur, toutefois il faut faire attention à ne pas augmenter avec excès cette
valeur, une usure prématurée pouvant survenir. La longueur indiquée à l’état comprimé est la hauteur minimale à
laquelle le ressort doit être comprimé. Il ne faut pas aller en deçà de cette dimension. La levée maximale est à titre
indicatif. La longueur serrée est la longueur où les spires du ressort entrent en contact. Cette dimension est à titre
indicatif, et vous ne devriez jamais tenter de la vérifier, vous devez considérer que la longueur minimale du ressort
est la longueur à l’état comprimé. Idéalement, le manufacturier serait avisé d’indiquer le poids du ressort.
Ces caractéristiques à elles seules ne disent pas tout, certaines informations peuvent être utiles lorsqu’on décide de
faire soi-même les calculs. On peut avoir besoin entre autres de connaître la force pour d’autres longueurs
d’installation ou d’opération. Les explications et équations qui suivent sont pour des ressorts avec une rigidité
constante.
Un ressort à rigidité constante possède comme le dit son nom une rigidité constante tout au long de sa
compression. Les ressorts de performances sont généralement de ce type. La rigidité K d’un ressort est définie
comme l’effort requis pour déformer le ressort d’une longueur donnée. Dans le tableau précédent, nous pouvons
ainsi conclure que la rigidité du ressort est de :
K = (147 – 48) / (39.4 – 26.9) Ibs/mm = 7.92 Ibs/mm
Ce qui nous indique donc qu’il faut 7.92 livres pour déformer le ressort de 1 mm. Ainsi, si l’on désire connaître la
force du ressort pour d’autres longueurs, il s’agit de faire des calculs simples. Toujours avec les mêmes informations
du tableau précédent, trouvons la force du ressort dans le cas où la longueur installée est de 38.5 mm, et la
longueur comprimée est de 27.3 mm.
Force installée @ 38.5 mm
= 48 Ibs + 7.92 Ibs/mm * (39.4 mm – 38.5 mm)
77
Force comprimée @ 27.3 mm
= 48 Ibs + 7.1 Ibs
= 55.1 Ibs
= 48 Ibs + 7.92 Ibs/mm * (39.4 mm – 27.3 mm)
= 48 Ibs + 95.8 Ibs
= 143.8 Ibs
La force de rappel du ressort permet au système de commande des soupapes de suivre au mieux la forme de la
came. Ce qui nous ramène à l’équation de Newton F=ma. La force du ressort est définie comme étant F, qui est
variable à mesure que la soupape se referme. La masse est définie par m et inclus le poids des composantes
permettant l’ouverture des soupapes. Dans certains moteurs, la levée de l’arbre à cames ne correspond pas à la
levée de la soupape, un certain ratio peut exister dont il faut tenir compte. L’accélération est définie par « a », qui est
tributaire de F et de la masse. C’est elle qui dicte si la force de rappel des ressorts est suffisante pour assurer le
contrôle des soupapes à haut régime. Plus les masses des composantes sont faibles, et plus l’effet sera équivalent
à augmenter la force de rappel.
Le calcul qui dicte le mouvement dans le temps du ressort en fonction de sa longueur en tenant compte des masses
dépasse le niveau de ce manuel. La Figure 8-5 montre un profil typique du déplacement d’un ressort dans le temps.
GRAPHIQUE LEVÉE VERSUS TEMPS
13
12
11
10
LEVÉE (mm)
9
8
7
RESSORT
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
Figure 8-5, Mouvement d’un ressort dans le temps
De façon approximative, il est possible d’estimer l’effet d’un changement de ressort sur la vitesse maximale d’un
moteur de façon simple. C’est approximatif dans la mesure où le calcul tient uniquement en compte la force
comprimée (Fc) et aucunement de la forme spécifique de la came. Si vous avez un moteur dont le régime maximum
est fixé à 8500 rpm, que vos ressorts d’origines ont un Fc de 122 Ibs, puis que vous installez des ressorts avec un
Fc de 143.8 Ibs, le nouveau régime maximal sera aux environs de :
Nouveau régime maximum
= ancien régime * √(Fc nouveau / Fc ancien)
= 8500 rpm * √(143.8/122)
= 9230 rpm
La force comprimée du ressort est le facteur ayant le plus d’effet sur le régime maximal, mais sa rigidité a aussi un
effet. Un ressort avec une rigidité plus faible aura une force plus constante au long de son déploiement, toutefois
l’effet est moins marquant.
Pour ce qui de l’effet du poids, on peut assumer que si vous réduisez la masse des pièces mobiles de 10 %, le
nouveau régime moteur deviendra :
Nouveau régime maximum
= ancien régime * √(1.0 / (1.0- réduction de poids %))
= 8500 rpm * √(1.0 / (1.0-.10))
= 8960 rpm
J’ai déjà entendu dire que certains moteurs possédaient 2 ressorts de soupape afin de contrer les effets de
résonnance. C’est vrai et faux en même temps. La résonnance d’un ressort peut apparaître lorsque le mariage entre
son poids et sa fréquence d’opération sont dans une zone critique. Cependant, les ressorts destinés aux soupapes
78
sont généralement conçus pour que cette combinaison ne soit pas possible pour les moteurs traditionnels. En
pratique, les deux ressorts fonctionnent de pair, leurs capacités sont simplement additionnées ensemble pour
obtenir une force de rappel désirée.
Pour les culasses en aluminium, les ressorts sont toujours installés sur des cales en acier pour éviter l’abrasion de
l’aluminium. Lorsque le ressort se comprime, il a tendance à tourner sur lui-même. Les cales peuvent aussi servir à
ajuster la force du ressort en allant chercher le maximum de force de rappel. Les ressorts ne sont pas toujours à pas
régulier, dans ces cas, il est important d’installer la section à pas rapproché du côté de la culasse.
Généralement, les ressorts utilisés sont les mêmes autant pour les soupapes d’admission que pour celles
d’échappement. Les soupapes d’admission sont généralement plus lourdes que celles d’échappement. Toutefois,
l’incidence d’un flottement des soupapes d’admission est moins dommageable que pour l’échappement. Il est
impossible à une soupape d’admission de toucher le dessus du piston à cause du flottement, car lorsqu’elle se
ferme, le piston est au point mort bas. Lorsque les soupapes sont installées dans la culasse avec des angles
importants, et ce, pour les moteurs avec des culasses de type « hemi », le flottement de la soupape d’échappement
peut causer un contact de celle-ci avec la soupape d’admission.
Pour ce qui est de la levée, on parle généralement que sa valeur maximale doit être d’environ 30 à 35 % du
diamètre de la soupape. 35 % est réellement un maximum, on remarquera que la levée est souvent basée sur le
diamètre de la soupape d’admission. Ainsi, ce pourcentage se trouvera encore plus important pour la soupape plus
petite d’échappement lorsque les cames d’admission et d’échappement ont la même forme.
Mentionnons le désavantage inhérent aux moteurs à 2 soupapes par rapport aux moteurs à 4 soupapes par
cylindre. La levée étant fonction du diamètre de la soupape, plus la soupape est grande et plus la levée est
importante. Le poids est aussi influencé par le diamètre de la soupape, alors plus une soupape est grande et plus
son poids est important. Ainsi, un moteur à deux soupapes devra avoir des ressorts de soupape pouvant fournir des
forces plus grandes pour compenser un poids plus grand des composantes, en plus d’avoir une course plus grande
en fonction de la levée. Le problème devient donc doublement compliqué. Pour des régimes relativement faibles, il
n’y a pas de réel avantage à avoir 4 soupapes par cylindre. Néanmoins, il devient vraiment complexe de faire
tourner très rapidement des moteurs à 2 soupapes sans causer de l’usure prématurée des composantes. Cela
explique pourquoi de gros moteurs américains à culbuteur peuvent atteindre des puissances complètement folles
sur des pistes d’accélération alors que le niveau de sophistication est tout de même relativement de base. Dans ces
cas, on n’hésite pas à installer des composantes favorisant la puissance au détriment de la fiabilité à long terme.
Le constat que je fais est que les moteurs de production à 4 soupapes ne tournent pas à des régimes de beaucoup
supérieurs aux moteurs à 2 soupapes alors que le potentiel est là. Les constructeurs choisissent des courses assez
longues des pistons pour conserver un certain couple à bas régime, tout près du régime ralenti. Bien des motos ont
des soupapes de diamètre comparable aux autos du fait que le diamètre des pistons est souvent de dimensions
comparables. Les moteurs de moto de fortes cylindrées avoisinent des régimes de moteurs de plus de 13 000 rpm.
Noter que le remontage des ressorts de soupape se fait aisément sur les moteurs d’auto à 4 soupapes, où bien
souvent, aucun outil n’est nécessaire pour compresser les ressorts afin d’y insérer les barrures.
Les graphiques suivants montrent le résultat graphique de différents calculs de ressorts de soupape pour le même
arbre à cames. Le critère Fc indique la force comprimée du ressort. Lorsqu’il est indiqué Fc + 18 %, cela signifie que
le calcul est fait avec un Fc majoré de 18 % par rapport au Fc des ressorts d’origine. La même logique est
conservée pour le facteur de rigidité K du ressort.
À remarquer qu’un ressort avec une rigidité plus faible conduit à une force au siège plus élevée.
La ligne noire en gras est la forme de la came. La ligne pointillée en gras représente la courbe décrivant le
déploiement du ressort dans le cas où il n’y aurait aucune came. La ligne fine est la position théorique de la
soupape en tenant compte du ressort et de la came. Lorsqu’on voit la ligne fine, cela indique que les soupapes
flottent. Lorsque le ressort est en mesure de conserver la soupape selon la courbe, la ligne fine se confond à la ligne
de la came.
Nous pouvons faire ressortir de ces graphiques que le fait de changer la rigidité change très peu les résultats. On
remarque aussi qu’avec un ressort dont le Fc est majoré de 18 %, le flottement à 9250 rpm est très semblable au
résultat du ressort d’origine à 8500 rpm, donnant foi à la règle qu’en augmentant Fc de 18 %, le régime moteur peut
augmenter de 8500 à 9230 rpm.
79
RESSORT D'ORIGINE, 8500 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
Figure 8-6, Graphique levée des soupapes versus temps
RESSORT Fc + 18% , K D'ORIGINE, 8500 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
RESSORT Fc D'ORIGINE, K - 18% , 8500 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
80
RESSORT Fc + 18% , K + 12% , 8500 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
RESSORT Fc + 18%, K D'ORIGINE, 9250 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
RESSORT Fc + 18%, K + 12%, 9250 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
81
8.3
ARBRE À CAMES
Le ou les arbres à cames constituent la pièce distinctive des moteurs à 4 temps. L’arbre à cames contrôle
l’ouverture des soupapes, par contrôle on sous-entend qu’il ouvre les soupapes selon des phasages déterminés par
le concepteur. Les arbres à cames sont ce qui donne le côté fantastique du moteur 4 temps. C’est aussi la
composante qui le rend plus complexe et plus lourd qu’un moteur 2 temps. Dans un moteur, toutes les composantes
ont un effet sur le dynamiste d’un moteur, oui, mais l’arbre à cames est dans un cas à part. Il influence l’attitude du
moteur, la puissance, mais aussi le niveau d’émission polluante. C’est un peu pourquoi on retrouve de plus en plus
de contrôles sophistiqués de phasage d’arbre à cames sur les voitures de production.
Figure 8-12, Forme d’une came
Figure 8-13, Forme typique d’une came asymétrique
La forme d’une came se décompose en différentes sections. La base est la section où la soupape est appuyée sur
son siège. À ce stade, la came ne touche pas le système de poussoir, ou à peine. Ensuite il y a le flanc, à ce stade
la soupape est en mouvement et s’ouvre graduellement en vue d’atteindre la tête. La transition entre la base et le
flanc est parfois difficile à percevoir, car il y a une zone de transition très fine. La tête de la came représente le
sommet, c’est là que la soupape atteint son maximum d’ouverture avant d’entreprendre de nouveau sa descente
vers la base.
Il est possible de voir des cames qui n’ont pas une forme symétrique tel que présenté à la Figure 8-13.
Généralement, la forme de la came est ainsi faite afin de compenser une géométrie de poussoir non usuelle. Malgré
la forme asymétrique de la came, le parcours des soupapes respectera le même profil de déplacement que lorsque
la came est symétrique poussant sur un poussoir plat à mouvement linéaire, soit comme présenté à la Figure 8-16.
Figure 8-14, Profil de came ré-usiné versus d’origine
Pour les applications avec poussoir à rouleau, la forme de la came sera différente avec une tête ayant un rayon
important, cela est dû au fait que la came attaque une forme en rond. En pratique, le mouvement de levée sera
82
similaire à une courbe normale, car en définitive, l’important est le contrôle de l’accélération d’ouverture des
soupapes, limitée par la force des ressorts.
Sur les moteurs à culbuteurs, il est généralement possible de faire réusiner l’arbre à cames d’origine afin d’atteindre
des performances plus élevées. Ce type de modification n’est généralement pas possible sur les moteurs avec
arbre à cames en tête, car le diamètre de base de la came diminue, ce qui demande des cales d’ajustement
beaucoup plus importantes. La Figure 8-14 montre un cas hypothétique où un ré-usinage serait exécuté sur une
came d’origine. Le changement peut sembler marginal, toutefois, le profil réusiné est beaucoup plus agressif avec
une levée et une durée plus importante. La forme est dans ce cas beaucoup plus agressive entraînant des
accélérations beaucoup plus importantes des soupapes. Avec un tel profil, les ressorts devront être obligatoirement
beaucoup plus fermes. Cette méthode de modification des cames est très simple et économique, surtout pour les
moteurs dont la disponibilité de pièces de performance est plus faible. Certains spécialistes offrent le service de réusinage, mais en pratique, beaucoup de centres d’usinage de moteur près de chez vous possèdent l’équipement
pour faire ces modifications. De plus, il est parfois possible de faire faire une copie de la came que vous possédez.
8.3.1
PHASAGE ET LEVÉE
L’arbre à cames tourne en relation avec le vilebrequin avec une vitesse deux fois plus faible. En effet, le cycle 4
temps se fait sur deux tours de vilebrequin alors que l’arbre à cames tourne un seul tour. Ici, je parlerais toujours
d’un arbre à cames alors que le nombre peut aller bien souvent de 1 à 4 sur un seul moteur. Lorsqu’on parle du
phasage d’un arbre à cames, on se réfère toujours au vilebrequin. Ainsi, le phasage complet d’un arbre à cames se
fait sur 720 degrés alors qu’en fait il tourne de seulement 360 degrés (il y a 360 degrés dans un tour complet).
Un arbre à cames comprend plusieurs cames, bien souvent une came par soupape, mais cela peut varier en
fonction de la configuration de la culasse.
On appelle durée d’une came le nombre de degrés total où la came assure la levée de la soupape associée. La
référence est souvent dès le début d’ouverture des soupapes, mais parfois on verra la durée par rapport à une levée
précise, la norme est souvent d’utiliser 0.050” (1.27mm). On retrouve bien souvent la durée exprimée comme suit :
durée @ 0.004”: 280 degrés, durée @ 0.050”: 235 degrés.
Figure 8-15, Diagramme de phasage d’un arbre à cames
La Figure 8-15 montre le diagramme de phasage des arbres à cames ainsi que plusieurs angles utilisés afin d’aider
à l’interprétation.
A1 :
A2 :
CA :
CE :
Angle d’ouverture des soupapes d’admission avant le PMH
Angle de fermeture des soupapes d’admission après le PMB
Centre de la came d’admission par rapport au PMH, égale DA/2 – A1
Centre de la came d’échappement par rapport au PMH, égale DE/2 – E2
83
CCAE : Centre-centre des centres de came admission et échappement, égale DA/2 + DE/2 – A1 – E2
CHAE : Chevauchement des ouvertures des soupapes d’admission et d’échappement, égale A1 + E2
DA :
Durée de la came d’admission, égale A1 + A2 + 180
DE :
Durée de la came d’échappement, égale E1 + E2 + 180
E1 :
Angle d’ouverture des soupapes d’échappement avant le PMB
E2 :
Angle de fermeture des soupapes d’échappement après le PMH
PMB : Point mort bas
PMH : Point mort haut
Les caractéristiques des cames donnent souvent la valeur CA et CE. Ces valeurs sont souvent les mêmes sur les
moteurs à simple arbre à cames. Il ne faut donc pas confondre ces caractéristiques avec CCAE.
Sur les moteurs à arbre à cames unique par banc de cylindre, nous retrouvons très souvent que A1 égale E2. Dans
ces moteurs, lorsque A1 est plus grand que E2, on dit normalement que le phasage est en avance. On dit qu’il y a
du retard lorsque E2 est plus grand que A1. Lorsqu’on avance ou recule l’arbre à cames, ces actions ne changent
en rien le chevauchement (CHAE) ainsi que le centre-centre des centres de cames (CCAE). Dans ce type de
configuration, avancer la came aidera généralement à obtenir plus de puissance à bas et moyen régime. Retarder la
came donnera légèrement plus de puissance à haut régime. Il est d’usage normal d’avancer de quelques degrés la
came.
Figure 8-16, Système d’avance hydraulique de came
Évidemment, lorsqu’un moteur possède des cames séparées pour l’admission et l’échappement, il est possible de
faire varier indépendamment beaucoup de paramètres. De plus en plus de moteurs possèdent des arbres à cames
dont l’ECU contrôle le phasage. On retrouve une multitude de recettes et les phasages dans ces cas deviennent
extrêmes. Pour les moteurs atmosphériques, on verra de faibles chevauchements afin de réduire les émissions à
bas régime. Cela en vue de pouvoir obtenir des régimes au ralenti plus stable pour des moteurs ayant toutes les
caractéristiques de moteurs devant éprouver de la difficulté dans cet état de fonctionnement. Le moteur recevra
ensuite une avance importante de la came d’admission afin d’augmenter le couple aux régimes moyens lorsque le
moteur est sous charge. À haut régime, l’avance de la came d’admission sera réduite à un niveau intermédiaire pour
un maximum de puissance à haut régime. Encore ici, il faut visualiser le mouvement de l’air entrant dans le cylindre.
En général, le fait d’avancer la came d’admission permet d’accroître le couple à bas régime. Le fait de retarder la
came d’admission permet d’augmenter la puissance à haut régime. Pour ce qui est de la came d’échappement,
c’est un peu différent. Afin d’accroître le couple à moyen régime, il y a un gain à retarder la came. Le fait d’avancer
la came d’échappement permet d’accroître la puissance à haut régime.
Pour les moteurs suralimentés avec doubles cames avec phasage ajustable par l’ECU, il peut être pertinent
d’augmenter l’avance à haut régime. Le fait que le moteur fonctionne avec une admission forcée le rend moins
sensible aux notions qui utilisent la vélocité et l’inertie du débit d’air pour le remplissage des cylindres. Et à la limite,
trop de retard créera un retour des gaz dans les tubulures d’admission lorsque le piston amorce sa remontée, alors
que le cylindre est déjà emplit à pleine capacité. Enfin, avec le phasage en avance sur la came d’admission, le taux
de compression réel devient plus élevé, car le mélange air-essence commence réellement sa compression lorsque
les soupapes sont toutes fermées. Évidemment, cela aura aussi un effet sur l’avance à l’allumage que le moteur doit
avoir.
Toute cette dynamique des débits d’air avec le phasage crée toujours un compromis, idéalement, la dynamique
d’ouverture serait entièrement ajustable en fonction des régimes. Ce compromis crée bien souvent des retours de
gaz dans les tubulures provoquant un encrassement des soupapes.
84
Lorsqu’on joue avec les réglages du phasage des arbres à cames, puis que le résultat permet d’observer un AFR
plus riche qu’auparavant alors que les temps d’injection n’ont pas encore été ajustés, vous pouvez suspecter que
vous êtes dans la mauvaise direction. En effet, le fait que le mélange devient soudainement plus riche nous
renseigne sur le fait qu’il y a moins d’air qui a pénétré le cylindre. Ultimement, s’il y a moins d’air la puissance sera
potentiellement plus faible.
LEVÉE SOUPAPES VERSUS POSITION DU VILEBREQUIN
0.500
ADMISSION
ÉCHAPPEMENT
LEVÉE (pouce)
0.400
0.300
0.200
0.100
-360
-300
-240
-180
-120
0.000
-60
0
60
120
180
240
300
360
POSITION DU VILEBREQUIN (degré)
Figure 8-17, Graphique de la levée de soupape versus la position du vilebrequin
Les moteurs utilisant des courroies pour entrainer les arbres à cames procurent un réglage facilité lorsqu’on utilise
des poulies ajustables. Les moteurs ayant des chaines de distribution donnent toutefois plus de mal, le réglage doit
se faire en démontant une partie du moteur, ce n’est pas le genre d’ajustement qu’on fait en quelques secondes
avec l’auto sur le dynamomètre. Les chaines de distribution sont de plus en plus utilisées, car elles procurent un
encombrement réduit du moteur, en permettant l’usage de système de gestion du phasage des cames avec des
systèmes hydrauliques tels que la Figure 8-16. Dans cette figure, il est possible de distinguer des vannes fixes et
mobiles. L’huile est acheminée de chaque côté de la vanne mobile, l’ECU contrôle en boucle fermée la position de
l’arbre à l’aide d’une sonde de position et d’une valve contrôlant le débit d’huile des deux côtés des vannes. On peut
aussi apercevoir une cavité dans une des branches de la section de vannes fixes. Cette cavité reçoit un plongeur
qui à l’arrêt du moteur bloque la came en position de retard maximal. L’exemple de cette figure fait varier le phasage
de la came d’admission d’un total de 43 degrés, ce n’est pas rien!
Lorsqu’on souhaite vérifier le phasage d’une came d’un moteur ayant un système d’avance hydraulique, ainsi que
les jeux entre les soupapes et le piston, il peut être nécessaire de démonter le mécanisme d’avance et de le bloquer
en position d’avance maximale.
La Figure 8-17 montre un profil typique de levée d’un arbre à cames et du phasage de ce dernier en fonction de la
position du vilebrequin.
Lorsque la forme de la came devient très agressive, il arrive bien souvent que le manufacturier recommande un jeu
très important au niveau des soupapes. La raison est d’obtenir une montée rapide des soupapes, la forme de la
came devient très évasée ce qui conduit à une durée excessive à 0 d’ouverture. Afin d’atténuer cet effet, ils
recommandent donc de faire le réglage avec un jeu important. Évidemment, le bruit mécanique du moteur s’en
trouvera augmenté, créant un claquement. C’est normal et souhaitable. Cela crée néanmoins un impact important
des soupapes sur leur siège, ne causant pas de problème dans la majorité des cas.
8.3.2
TYPE D’ARRANGEMENT
Les arrangements du système d’activation des soupapes varient de façon très importante, les images ci-bas sont un
pâle reflet de ce que vous pouvez trouver sur les moteurs. Bien souvent, l’arrangement utilisé pour votre moteur
pourra être un mélange de différents concepts.
85
a)
b)
c)
d)
Figure 8-18, Différents arrangements de système d’entrainement des soupapes
L’image a) de la Figure 8-18 montre l’arrangement le plus traditionnel que l’on voit sur une grande majorité des
moteurs avec arbre à cames en tête. Les principaux avantages sont la simplicité de montage et un poids minimal.
Le poussoir sert de guidage en coulissant dans un espace prévu dans la culasse. La soupape n’est soumise à
aucun effort de côté. La tige de la soupape peut ainsi être de construction plus fine avec un diamètre réduit. La
culasse peut être relativement étroite avec un minimum de hauteur pour un moteur avec arbre à cames en tête. Le
principal désavantage survient Lorsqu’on désire faire l’ajustement du jeu des soupapes. Ce réglage à priori simple
demande de changer des petites cales d’épaisseur qui sont accessibles seulement après avoir déposé l’arbre à
cames.
L’image b) est très rare et est très similaire à l’image a). La came pousse sur un culbuteur qui transfère directement
le mouvement à la soupape versus une cale et le poussoir guidé. Cette solution est employée afin de permettre un
ajustement plus aisé des soupapes. Le culbuteur est mobile de côté ce qui donne accès à la cale d’épaisseur sans
la dépose de la came. Évidemment, cette solution est un peu plus complexe et ajoute du poids au système
d’entrainement des soupapes. Tout cela en plus d’augmenter la masse globale de la culasse, tout en prenant un
peu plus de hauteur. La came devra avoir une forme avec un plus grand rayon au niveau de la tête afin de
compenser l’attaque sur une surface ronde.
Tous les systèmes avec culbuteurs entrainent des efforts de coté sur la soupape. Certains moteurs (comme le
Toyota 2ZZ) sont pourvus de soupapes ayant des tiges très fines, des tiges qui se comparent aux soupapes des
moteurs basé sur l’image b) (dont la soupape ne voir aucun effort de côté). Les efforts de côté entraine
éventuellement une usure des guides de soupape ce qui en soi peut ne pas être très grave. Mais, si la tige est très
fine (soit de petit diamètre), il peut arriver un bris au niveau de la soupape à l’endroit où s’installe les barrures qui
maintien en place le disque de retenu des ressorts. Et plus l’on installe des ressorts fermes et plus le risque de bris
devient important. Vous comprenez que j’ai à plusieurs reprises brisé des soupapes à cause de cela!
L’image c) montre l’arrangement d’un système à culbuteur avec arbre à cames localisé dans la base du moteur. Cet
arrangement a un vaste passé et se voit de plus en plus perçu comme une solution manquant de noblesse. Son
principal inconvénient est un poids important des composantes de commande des soupapes, ce qui demande des
ressorts plus ferme. Un autre désavantage est que la tige poussoir actionnant le culbuteur doit passer au travers de
la culasse, ce qui limite de façon importante la possibilité d’avoir des canalisations d’admission et d’échappement de
dimensions importantes. Évidemment, il devient presque impensable de pouvoir mettre 4 soupapes par cylindre, je
n’ose imaginer l’orgie de culbuteur et de tige poussoir. Néanmoins, ce système présente certaines qualités
inhérentes, dont une compacité globale du moteur.
La Corvette de Chevrolet utilise encore de nos jours un moteur à culbuteurs. Ses dimensions ainsi que son poids
sont très avantageux. Dans ce type d’arrangement avec tige poussoir, il devient plus facile de concevoir des
poussoirs hydrauliques ne demandant pas d’ajustement du calage des soupapes. Autre petit avantage, Lorsqu’on
décide d’augmenter le rapport de compression, cet arrangement facilite l’usinage de la culasse et ne demande pas
de refaire le phasage de l’arbre à cames. Les pièces de performance pour les moteurs américains pleuvent et cela
peut devenir très éprouvant de choisir parmi tout ce choix. On a le choix entre des poussoirs mécaniques plats ou
avec des rouleaux, des poussoirs hydrauliques avec différentes options de régimes maximales, des tiges poussoirs
pourront être de longueur fixe ou avec réglage de longueur. Enfin, au niveau du culbuteur, on aura le choix entre
86
des culbuteurs avec visse de réglage ou non, avec rouleau appuyant sur la soupape (voir Figure 8-19) ou non.
Généralement le culbuteur transmet le mouvement avec un rapport de levée en amplifiant la levée de la came. Aux
puristes qui sont déçu de voir des puissances spécifiques (par rapport à la cylindrée) décevante de ce type de
moteur, il faut aussi se poser la question de la puissance par poids. En se posant la question de cette façon, la
réponse devient plus complexe! Évidemment, un moteur a culbuteur aura normalement une moins bonne efficacité
énergétique du fait qu’à la base ces moteurs ne respire pas aussi bien qu’un moteur plus sophistiqué. Toutefois,
lorsque le moteur fonctionne sous peu de charge, cela ne fait grand différence à cause que dans un cas comme
l’autre, la restriction est donnée par le papillon d’admission.
Figure 8-19, Culbuteur à rouleau avec visse de réglage
Compte tenu du nombre de composantes associé à cet arrangement avec culbuteur, ce type de montage est
réservé à des moteurs ayant des ressorts de soupape très ferme, il ne faut pas s’étonner de constater une certaine
flexibilité et une commande moins précise des soupapes. De ce fait, il peut résulter que la soupape arrive à pleine
vitesse sur son siège en ne suivant pas la rampe de la came, ce qui n’est pas souhaitable.
Lorsqu’on désire augmenter le régime du moteur tout en utilisant les systèmes de poussoir hydraulique, on doit
penser à acheter des poussoirs aptes à ne pas se décharger aux régimes avec lesquels ils devront faire face. Vous
avez accès à des poussoirs hydrauliques de haute performance. Arrivé à un certain régime, vous n’aurez toutefois
plus de choix d’opter pour des poussoirs dits « mécaniques ». Évidemment, un régime de moteur plus élevé
demande des ressorts plus fermes, des ressorts fermes entraînent un risque de détérioration rapide de la came et
du poussoir. Afin de contrer ce problème, il est parfois possible, sur les moteurs avec culbuteurs, d’installer des
poussoirs à rouleau qui roulent littéralement sur la came. Il peut être requis d’augmenter encore davantage la force
des ressorts compte tenu du poids du poussoir à rouleau, mais la friction est réduite pour une puissance optimale.
L’image d) montre un arrangement moins fréquent qui consiste à utiliser un arbre à cames en tête poussant sur un
culbuteur équipé d’un rouleau. Lorsqu’une came doit pousser sur un rouleau, son angle d’attaque sera moins
efficace qu’avec un poussoir plat. Afin d’obtenir le mouvement désiré, la tête de la came possède un plus grand
diamètre et le flanc aura l’air particulièrement agressif. Ceci est seulement une compensation géométrique.
Évidemment, il ne faut jamais installer un arbre à cames pour des rouleaux avec des poussoirs plats, et vice versa.
Outre le rouleau, on retrouvera souvent ce type de culbuteur sur des moteurs à changement de came comme les
moteurs V-Tec de Honda ou VVTL de Toyota pour ne citer qu’eux. La Figure 8-21 montre un culbuteur d’un moteur
Toyota 2ZZ. On peut voir un rouleau ainsi qu’un galet ayant un ressort sous sa base. La came de bas régime
fonctionne dans ce cas sur le rouleau, et la came de haut régime pousse directement sur le galet. Le galet est sur
ressort et coulisse en permanence lorsque le moteur fonctionne sur la petite came. Sur l’image de gauche, on peut
voir un petit piston qui est normalement localisé à l’intérieur du culbuteur. C’est la pression hydraulique qui le
pousse sous la tige coulissante du galet afin d’enclencher la came de haut régime.
Certaines nuances doivent être faites au sujet des arbres à cames pour poussoir plat hydraulique et pour poussoir
plat mécanique. On retrouve souvent des arbres à cames avec des durées très importantes pour usage avec
poussoir hydraulique. La durée est une valeur théorique et ne tient pas compte de la réaction des poussoirs. Les
poussoirs possèdent des valves antiretour qui empêchent le poussoir de se décharger en poussée. Cette valve
antiretour demande un temps de réaction, ce temps de réaction fait en sorte d’avoir une durée effective plus faible
87
que la durée théorique. Cela dit, la pratique normale prévoit d’utiliser une came dite mécanique avec des poussoirs
mécaniques, et une came dite hydraulique pour des poussoirs hydrauliques.
Figure 8-20, Culasse Hémi d’un moteur de course d’accélération
(Photo courtoisie de Christian Paquet -- [email protected])
Figure 8-21, Culbuteur Toyota pour système avec deux cames
8.3.3
MESURE DE LA FORME DE LA CAME
Avant d’entreprendre une série de mesure, il faut d’abord s’assurer de savoir ce qu’on cherche. La modification du
système d’entrainement des soupapes et des soupapes elles-mêmes peut créer plusieurs effets néfastes. La liste
des problèmes et des mesures appropriées est la suivante :
- Contact des soupapes avec le piston : Le contact peut être causé par un flottement des soupapes ou par un
jeu insuffisant entre les soupapes et le piston. Le jeu sert essentiellement de facteur de sécurité lié à un
manque de confiance sur le régime moteur qui sera atteint et la capacité des ressorts à suivre la forme de la
came. Plus le système d’entrainement est flexible et plus on demandera un jeu important. De plus, ce jeu
varie et n’est pas le même pour les soupapes d’admission versus celle d’échappement. Il faut au minimum un
jeu pour compenser entre autres l’accumulation future de carbone sur le piston. Il y a trois façons de mesurer
ce jeu : soit par calcul, mais c’est déconseillé; en utilisant de la gomme à mâcher ou de la pâte à modeler, en
l’apposant sur la surface du piston, en assemblant la culasse et toutes les composantes du système de
commande des soupapes, puis en faisant tourner le moteur lentement à la main avec soin; la troisième façon
est celle que je préfère, qui est similaire à la méthode 2 mais au lieu de mettre de la gomme sur le piston, il
s’agit de pousser manuellement la soupape et de noter la distance qu’elle parcourt avant contact, pour ce
faire, il faut idéalement installer un ressort très mou que vous trouverez dans une quincaillerie. Lorsque vous
prenez la méthode 2, si le mouvement demande un effort anormal, cessé de tourner, il se peut que la
soupape soit déjà en contact avec le piston. Le jeu nécessaire varie donc d’un moteur à l’autre et de votre
niveau d’incertitude. On parle donc d’un jeu d’environ 1 à 2 mm pour la soupape d’échappement et un peu
moins pour la soupape d’admission. J’ai déjà mesuré un moteur d’origine avec un jeu de moins de .75 mm
pour une soupape d’admission. Un jeu plus important est toujours le bienvenu. Noter que l’endroit où la
soupape d’échappement sera le plus près du piston arrive normalement avant le point mort haut. Maintenant,
si le jeu est insuffisant, vous avez quelques choix : vous pouvez enlever du matériel sur le piston, c’est tout de
même beaucoup de travail; changer les pistons par des pistons avec plus de dégagement est une option,
mais un peu dispendieux; usiner le siège de soupape pour entrer plus profondément la soupape dans la
88
culasse, mais cette solution devient très complexe avec les moteurs à arbre en tête, car cela demande de
modifier la longueur de la soupape. Noter que certaines anciennes voitures comme des Aston Martin
d’époque demandaient de modifier les soupapes pour faire l’ajustement du jeu.
- Contact entre les soupapes d’échappement et d’admission : Si vous avez installé des cames plus agressives,
que vous avez changé la dimension des soupapes, puis qu’enfin les soupapes sont selon un aménagement
de type Hémi avec un angle important, il y a un risque de contact. Idéalement, il faut faire l’analyse par calcul
avant de décider d’usiner la culasse pour recevoir des soupapes plus grandes. Dans ce cas, il faut le
diagramme de levée détaillé des soupapes, puis il faut modélisez la culasse, c’est un travail particulièrement
théorique. La vérification pratique est quant à elle très simple. Il faut assembler le système de commande au
complet dans le moteur avec la culasse, puis mesurer la distance entre les soupapes dans un cylindre où il n’y
a pas de piston ni de bielle. Je me suis déjà fait un bloc d’essai où le côté était coupé pour donner une
meilleure visibilité. Un bloc moteur endommagé peut toujours resservir.
Figure 8-22, Mesure de la levée d’une soupape.
- Contact entre la soupape et le piston dû au risque de flottement. Si vous prévoyez faire les calculs de ressort, il
n’est pas nécessaire de prendre toute la courbe de levée en détail, mais seulement la section légèrement
avant le haut de la tête de la came et jusqu’à ce que la soupape touche son siège. Vous devrez néanmoins le
faire pour l’admission et l’échappement si vous croyez que ce n’est pas pareil. Vous n’avez pas non plus
besoin de vous assurer du phasage exact avec le vilebrequin. L’analyse par calcul devient assez complexe et
représente une approche extrêmement théorique pour une personne qui n’est pas à l’aise avec les
mathématiques.
Évidemment, si vous voulez connaitre et vérifier le phasage exact de la levée avec le vilebrequin, il faudra
assembler le moteur, puis le faire tourner en prenant des mesures de levée de soupape en fonction de la position
exacte du vilebrequin. Une mesure à tous les 15 degrés du vilebrequin est normalement suffisante, débutée au point
mort haut au temps d’allumage. Vous devrez prendre les mesures sur deux tours complets de vilebrequin. Vous
pouvez opter pour une plus grande précision, mais un angle de moins de 10 degrés entre les lectures n’apporte plus
grand gain. Le but est de prendre une lecture précise en utilisant une position de mesurage qui ne change pas d’une
mesure à l’autre. Personnellement, j’utilise normalement la mesure telle que montrée à la Figure 8-22. Prenez les
mesures avec un jeu de soupape d’au plus .001” (.025mm).
Prendre les mesures avec un moteur ayant des changements de configurations d’arbre à cames tel que les Honda
V-Tec peut devenir un peu plus complexe, et encore davantage lorsque le moteur possède des cames avec
phasage variable. Dans ces cas, il faut au moins bloquer le système mécaniquement afin de pouvoir mesurer la
came de haut régime. La Figure 8-21 présente un culbuteur de moteur Toyota. On peut aussi voir le petit piston à la
droite du culbuteur assurant l’engagement de la came de haut régime. Dans les faits, ce petit piston n’est pas
accessible sans détruire le culbuteur. L’image montre un culbuteur qui n’est plus réutilisable et qui fut coupé pour
enlever les ressorts demandant l’assistance hydraulique pour l’engagement, il faut ce qu’il faut lorsqu’on désire
prendre les mesures.
Une fois les mesures prises, il ne reste plus qu’a retranscrire les données dans une table Excel (ou un logiciel
équivalent), puis de créer une charte avec deux courbes. Le résultat devrait être similaire au résultat de la Figure
8-17.
Le but de ce manuel n’est pas de vous montrer comment fonctionne le logiciel Excel, mais si vous n’êtes pas à l’aise
avec Excel, vous devriez être en mesure de trouver quelqu’un dans votre environnement qui est à l’aise avec. Pour
votre information, tous les tableaux de ce manuel ont été produits avec Excel.
89
8.4
CHAMBRE À COMBUSTION
Dans bien des cas, il y a peu à faire au niveau de la chambre de combustion, surtout pour les moteurs ayant des
culasses modernes.
Il y a néanmoins certains moteurs qui demandent une attention particulière. Ainsi, les moteurs ayant des chambres
de combustion où les soupapes sont localisées dans un espace clos (typiquement de la forme d’une piscine, voir
Figure 8-23) gagnent à être préparés. La préparation doit permettre d’augmenter la distance entre la soupape et le
contour de la chambre de combustion afin d’améliorer le débit d’air. Lorsqu’une soupape ouverte est entourée d’une
surface laissant peu de place pour faire passer l’air, cela limite le débit d’air. On retrouve ce genre de chambre de
combustion dans certains moteurs américains d’époque, tout comme les anciens moteurs des voitures britanniques.
Évidemment, l’enlèvement de matière abaisse automatiquement le rapport de compression, qu’il faut compenser
soit en usinant la culasse, ou bien en installant des pistons avec un rapport de compression plus élevé.
Chambre de combustion d’origine
Chambre de combustion modifiée
Figure 8-23, Chambre de combustion
Généralement, le mieux qu’on peut faire pour la préparation de la chambre de combustion se limite à tenter de
diminuer les points chauds. Il s’agit d’arrondir légèrement chaque contour. Si la chambre de combustion est telle
que la bougie est très près de la surface de dessus et du côté du piston, vous pourrez éprouver des problèmes
sérieux de point chaud pouvant mener jusqu’à la détérioration des pistons.
8.5
CANALISATION D’ADMISSION
Lorsque vient le temps de modifier votre moteur, la préparation des canalisations d’admission dans la culasse
devient un incontournable. Si vous faites une préparation de base, le travail est facile et vous pourrez le faire vousmême. Si toutefois vous comptez faire d’importantes modifications, un expert sera probablement davantage en
mesure de faire un travail répondant à vos attentes.
Une préparation de base se limite à enlever les imperfections de surface résultantes du procédé de fabrication par
moulage. Il faut donc enlever du matériel. Sur les culasses avec 2 soupapes d’admission par cylindre, il y a toujours
un gain à rendre la ligne de séparation la plus coupante possible afin de mieux fendre l’air. En gros, après avoir
enlevé les imperfections, il s’agit de polir grossièrement la surface, puis de procéder à un sablage afin d’obtenir une
surface avec des petites stries. Le débit d’air dans la tubulure d’admission gagne à être un débit le plus linéaire
possible. Pour réduire la friction, l’air gagne à glisser sur l’air, pour y parvenir, une mince couche d’air doit pouvoir
s’accrocher à la surface. Dans la section discutant de la puissance, il était question que le Plm, soit la puissance par
litre par 1000 rpm pouvait être de l’ordre de 15 HP / litre / 1000 rpm. Cette valeur était pour le régime auquel la
puissance maximale est atteinte. Il est raisonnable de penser que le Plm est plus élevé au régime où le couple est
maximal. Ainsi, le Plm peut atteindre au moins 10% de plus aux régimes intermédiaires, soit des valeurs de plus de
17 HP / litre / 1000 rpm.
Lorsqu’on désire modifier davantage la canalisation, soit en changeant sa forme ou en modifiant sa grosseur, il faut
faire attention. Augmenter la dimension des canalisations peut conduire à une perte de performance. On retrouve
certains moteurs de courses basés sur des moteurs de série dont les préparateurs réduisent la dimension des
canalisations afin d’augmenter la vélocité de l’air. Le manuel en référence « Four-stroke performance tuning »
parle intensément des modifications des canalisations, ce guide peut véritablement vous guider. Pour diminuer la
tubulure, il est possible d’utiliser des pates époxy. Personnellement, je n’ai jamais fait ce type de préparation, mais
d’après mes recherches, un des composés qui semble populaire pour ce type de modification est le Carboguard A788.
En gros, telle que mentionné précédemment, on désire avoir un écoulement linéaire de l’air dans la tubulure, avec
une certaine vélocité pour gagner de l’inertie, cela afin de favoriser une homogénéité du mélange de l’air avec
l’essence dans le cylindre.
90
Afin d’avoir un écoulement linéaire, la canalisation doit avoir un minimum de courbe. Les courbes gagnent à avoir
d’importants rayons de courbure. Les moteurs de moto se voient dotés de plus en plus de culasses où l’angle des
soupapes est de plus en plus faible. Ce changement est rendu possible avec l’utilisation de canalisations presque
verticale qui reçoivent les papillons de contrôle d’admission. Cette architecture est rendue possible par l’abandon
des carburateurs, ainsi de par le fait qu’il y a plus d’espace en hauteur sur une moto que sur une auto. Le résultat
donne une canalisation presque droite, avec en plus une chambre de combustion extrêmement compacte autorisant
des rapports volumétriques plus élevés.
La vitesse de l’air augmente l’inertie. Il faut bien comprendre ce qu’est l’inertie. L’inertie est le phénomène qui tend à
empêcher le changement d’état des choses. En ce sens, lorsque l’air est à l’arrêt, il faut fournir un effort pour
débuter le débit. À l’inverse, lorsque l’air est en mouvement, il faut faire un effort pour l’arrêter. Une canalisation plus
petite et régulière force l’air à aller plus rapidement et augmente du coup l’inertie. Toutefois, une tubulure plus petite
augmente la résistance à l’écoulement de l’air, limitant ainsi le débit et empêchant le cylindre de s’emplir. Lorsque
les canalisations sont bien dimensionnées, il est possible de faire entrer une quantité d’air plus importante que le
volume du cylindre lui-même, et ce, pour un moteur atmosphérique. Au mieux, avec une canalisation infiniment
grosse, l’air emplira le cylindre puis l’air en ressortira dans la dernière phase de fermeture de la soupape
d’admission. Il ne faut pas oublier que lorsque le piston arrive au point mort bas, la soupape d’admission est
toujours ouverte, puis se referme seulement après un certain temps. Au final, le cylindre sera que partiellement
rempli. À l’inverse, si la canalisation est très petite, l’étranglement limitera le débit, mais on peut prédire que le
remplissage se fera jusqu’à ce que la soupape se referme. Il faut donc trouver le bon équilibre. Il arrive que les
manufacturiers se trompent, alors il ne faut pas croire que cela ne peut pas nous arriver. Pour nous, la tâche est
plus simple que pour les manufacturiers, on part de ce qu’ils ont fait, puis on modifie légèrement en fonction d’un but
à atteindre. Pour s’y retrouver, il faut savoir interpréter la courbe de puissance de votre moteur et voir si la courbe
est conforme aux modifications que vous avez faites. Ainsi, si votre moteur à une courbe de couple qui chute
rapidement à partir d’un régime où le couple maximal est atteint (voir Figure 3-4), et que toutes les composantes
installées autour du moteur auraient dû promouvoir des régimes élevés, il se peut que les canalisations soient trop
petites et crée un phénomène d’étranglement. Dans ce cas, augmenter le diamètre peut augmenter la puissance,
mais possiblement au prix d’une réduction du couple à bas régime. Si dans l’autre cas de figure, le couple maximal
de votre moteur est atteint à haut régime, il se peut fortement qu’une réduction de surface des canalisations donne
un moteur ayant une meilleure bande de puissance. Avec la courbe de puissance de la Figure 3-1, j’hésiterais
beaucoup avant de grossir les canalisations. Avec un Plm presque constant à 15 HP / litre / 1000 rpm, j’irais même
jusqu’à dire que la canalisation gagnerait à être réduite légèrement. Cette modification peut créer une faible perte en
puissance maximale, mais bonifier la puissance au régime intermédiaire d’un bon 10%. Si vous comptez modifier un
moteur et augmenter de façon importante le régime maximum du moteur, grossir les canalisations peut être la voie
à suivre. Si vous voulez augmenter la puissance avec le même régime de moteur, il faut trouver l’optimum. Les
moteurs suralimentés sont moins sensibles à ces aspects.
C’est là que les essais avec des appareillages de mesure de restriction avec un débit (flow bench) peuvent devenir
trompeurs. Mais une chose est certaine, si la canalisation n’est pas agrandit mais que le travail de préparation
permet une restriction plus faible, il y a des chances que se soit bien à moins que la canalisation d’origine soit trop
grosse. Les moteurs Yamaha ou encore Toyota ont souvent des tubulures possiblement trop grandes qui
maximalisent la puissance maximale au détriment du couple à moyen régime.
L’homogénéité du mélange de l’air avec l’essence s’obtient en assurant un brassage des deux composés. Cet
aspect est moins critique pour les moteurs à 2 soupapes d’admission avec injecteurs. Sur les moteurs à carburateur
avec une seule soupape d’admission (généralement localisé d’un côté de la chambre de combustion), l’essence est
moins bien pulvérisée, puis l’air a moins tendance à remplir efficacement le cylindre. Si la tubulure d’admission
entraine l’air dans un tourbillon se dirigeant vers le centre du cylindre, le mélange air / essence sera plus homogène
et le cylindre pourra se remplir avec plus de succès.
On verra donc des recommandations de certains auteurs indiquant que la canalisation devrait être de 81 à 83 % du
diamètre de la soupape. Allez au-delà de cela conduit à un moteur plus pointu, possiblement plus puissant dans les
hauts régimes. Avoir un moteur pointu avec une boite de vitesse à rapports rapprochés peut devenir une
combinaison gagnante. Toutefois, un moteur pointu avec une boite ayant des rapports espacés peut devenir un très
mauvais mélange.
Certaines préparations extrêmes sont possibles, les guides de soupapes se verront même parfois enlever dans la
section de la canalisation. Honnêtement je ne sais pas trop, j’ai presque toujours eu des moteurs avec des culasses
dont les guides de soupapes ne dépassaient pas ou très peu à l’intérieur de la canalisation. J’ai davantage tendance
à modifier le bout du guide afin d’obtenir une transition plus progressive.
91
8.6
CANALISATION D’ÉCHAPPEMENT
Les recettes pour améliorer la canalisation d’échappement sont un peu différentes de celle des canalisations
d’admissions. Ici le débit est turbulent et vous ne pouvez rien y faire, les gaz d’échappement sont principalement
poussés par le piston, bien que le système d’échappement puisse aussi créer un phénomène d’aspiration.
Vous gagnez à réduire les perturbations de surface comme pour l’admission. Vous pouvez aussi polir la surface,
mais dans les faits ça ne donne pas grand-chose. En effet, après seulement quelques heures de fonctionnement, le
fini sera celui de la suie d’échappement.
Au niveau de la dimension, on parle que la surface de la canalisation devrait être d’au moins la surface des
soupapes.
Pour ce qui est de grossir le diamètre de la canalisation, normalement, il ne faut pas le faire. Il est préférable de
conserver un saut vers le tube d’échappement. Ce saut réduit la tendance du débit à revenir vers le cylindre en
agissant un peu à la manière d’une soupape antiretour. Le saut ne présente pas un gros inconvénient lors de la
sortie des gaz, car de toute façon, on parle d’un débit turbulent, ce n’est pas un petit saut qui fera une grande
différence.
8.7
MONTAGE
Le montage de la culasse se fait avec de longs boulons, ou bien avec des écrous se vissant sur des tiges déjà
installées sur le bloc. Il y a généralement 2 grandes tendances pour la procédure de serrage. La méthode la plus
courante est celle où on serre les boulons en utilisant une clé dynamométrique, avec un ordre de serrage selon les
indications du manufacturier du moteur, puis en débutant par un serrage intermédiaire, puis enfin un final. La
deuxième méthode, que je déteste tout particulièrement, est semblable à la première, mais après le serrage
intermédiaire il faut procéder à un serrage selon un angle, la procédure vous dictera de serrer par exemple de 90
degrés, puis encore de 90 degrés. Cette méthode entraine généralement une déformation permanente des boulons,
il est fortement recommandé de changer les boulons à chaque démontage.
Figure 8-24, Ensemble de tiges filetées et écrou de performance
Le couple de serrage est important ainsi que la séquence afin de ne pas créer de distorsion de la culasse et assurer
un joint étanche. Comme règle de départ, fiez-vous au manuel de votre moteur.
Idéalement, le filet est le plus bas possible dans le cylindre afin de ne pas créer de distorsion du cylindre. Dans
certains cas, une bride sera installée sur le moteur lors de l’alésage afin d’assurer que les cylindres soient bien
ronds une fois la culasse installée avec ses boulons. Lorsque le filet est profond, cette procédure n’est pas
nécessaire.
Si vous augmentez beaucoup la puissance de votre moteur, ou que vous démontez souvent les culasses, ou que
vous avez des problèmes d’étanchéité des joints de culasse, ou enfin si la procédure de serrage demande de
déformer les boulons de façon permanente, n’hésitez pas, installez des boulons de performance. ARP est une
marque reconnue qui offre des ensembles de tiges et boulons de haute performance pour plusieurs types de
moteur.
Pour les blocs en aluminium, assurez-vous d’avoir une longueur de filet d’au moins 2 fois le diamètre du boulon de
façon à minimiser le risque de filets endommagés. Dans les cas où vous avez moins de longueurs de filet que ce qui
est recommandé, il devient sage d’installer des Helicoil afin d’augmenter la capacité de serrage. À longueur de filet
égal, l’installation d’Helicoil permet d’augmenter la capacité de serrage.
92
9
PISTON
Soyons ici encore clairs sur les objectifs de ce manuel. On ne deviendra pas expert en lisant ce qui suit, la science
des pistons est très vaste, faisant appel à beaucoup de notions de métallurgie. Le but est de vous aider à mieux
vous retrouver dans les choix de composantes qui vous sont proposés, les choix sont multiples.
Le régime maximal d’un moteur dépend de plusieurs facteurs, l’un d’eux est la vitesse moyenne des pistons. Ici je
parle de vitesse moyenne, car en pratique, le piston change continuellement de vitesse. Lorsque le piston est aux
points morts haut et bas, sa vitesse devient nulle. Toutefois, à ce moment, c’est là qu’il va entreprendre son
changement de direction entrainant une accélération maximale.
La vitesse moyenne d’un piston est le résultat de la vitesse de rotation du moteur (RPM) et de sa course (S) :
Vp
= RPM * S / 30 000
(30 000 = 1000mm/1m x 60s/1min / 2 (aller-retour dans un tour))
Si nous prenons un moteur ayant une course de 85 mm (Toyota 2ZZ) dont le régime maximal est de 8 500 rpm,
nous obtenons :
Vp
= 8500 * 85 / 30 000
= 24.08 m/s
Si nous prenons un moteur ayant une course de 42.5 (Yamaha R6) mm dont le régime maximal est de 16 000 rpm,
nous obtenons :
Vp
= 16 000 * 42.5 / 30 000
= 22.7 m/s
La vitesse moyenne des pistons donne certains renseignements intéressants. En général on parle d’une vitesse
maximale allant de 16 à 25 m/s. Cette vitesse est similaire pour n’importe lequel des moteurs. Au-delà d’une
certaine vitesse, la friction augmente et l’efficacité des segments diminue. Lorsque vous calculez une vitesse de
piston déjà voisine de 25 m/s sur un moteur, ne comptez généralement pas à augmenter considérablement le
régime maximum. À partir de 20 m/s, on parle déjà d’un moteur dont les pistons atteignent des vitesses élevées.
La position du piston dans le cylindre est fonction du ratio entre la longueur de la bielle et la course du moteur ainsi
que de leurs valeurs. La Figure 9-1 donne les différents paramètres pour arriver à faire le calcul exact.
Figure 9-1, Paramètre pour le calcul de la position du piston
Prenons la hauteur du point mort haut comme étant :
La hauteur du point mort haut = Bl + S/2
93
Où :
Bl est la longueur de la bielle
S est la course du moteur
La position du piston par rapport au point mort haut est :
Position = Bl + S/2 – ( A3 + A1 )
Où :
A0 = la position du vilebrequin
A1 = S/2 x cos (A0)
A2 = S/2 x sin (A0)
2
2
A3 = √(Bl – A2 )
La Figure 9-2 donne le résultat pour un moteur ayant une course (S) de 82 mm, puis une bielle d’une longueur (Bl)
de 138 mm, soit un ratio bielle/course de 1.68. Il y a différents points intéressants à noter. Le premier, et le plus
évident, est de constater que lorsque le vilebrequin est à 90 degrés, le piston se trouve déjà au-delà de la micourse, c’est donc dire que le piston passe plus de temps dans la position basse du cylindre. En fait, à la mi-course,
le piston est à seulement 81.5 degrés. Si l’on avait opté pour une bielle beaucoup plus longue, disons 164 mm pour
obtenir un ratio bielle/course de 2, la mi-course aurait été atteinte à un angle de près de 83 degrés. Plus le ratio
bielle/course est élevé, plus le piston passe du temps dans la partie du haut du cylindre.
On peut voir aussi que le piston au point mort haut accélère davantage. Si l’on regarde à 30 degrés du vilebrequin,
le piston a déjà franchi une distance de plus de 7 mm. Maintenant, si l’on regarde la position 30 degrés avant le
point mort bas, soit à la position du vilebrequin de 150 degrés, il ne reste plus que près de 4 mm à franchir.
Sans vouloir aller trop profondément dans les notions mathématiques, la flexion de la courbe donne le niveau
d’accélération que subit le piston. On peut donc voir qu’aux alentours de 70 à 90 degrés, la courbe est presque
droite ce qui indique que la vitesse du piston devient constante et qu’il n’y a plus d’accélération. Pour ce qui est de
la vitesse, elle est fonction de la pente de la courbe en un point précis. À 180 degrés, la courbe crée une ligne
horizontale traduisant une pente nulle, soit une vitesse nulle. La pente de la courbe devient maximale vers 280
degrés, c’est donc à ce point que la vitesse maximale du piston est atteinte.
Position du piston par rapport au point mort
haut (mm)
Position du piston en fonction de la position du vilebrequin
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Bl = 138, S = 82
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Position du vilebrequin (degré)
Figure 9-2, Position du piston par rapport au point mort haut pour Bl = 138 mm, S = 82 mm
9.1
MATÉRIAU
Nous sommes dans la partie la plus critique, là où vous devrez faire un choix. Nous allons donc diviser le sujet en
fonction des choix qui vous seront offerts, soit
94
-
Pistons d’origine;
Pistons coulés;
Piston coulé hyper eutectique;
Piston forgé.
Le matériau utilisé pour la fabrication des pistons est toujours de l’aluminium pour les moteurs automobiles.
Toutefois, la nuance d’aluminium change beaucoup en fonction du type de construction. Les critères importants sont
la dilatation thermique, la robustesse et le poids. La dilatation thermique est un enjeu difficile, il impose des choix de
nuances d’aluminium, faisant varier le jeu entre le piston et le cylindre. Il faut aussi noter qu’un piston se voit
imposer une variation de température différente tout au long de sa hauteur. Évidemment, la surface du dessus est
soumise à des variations de température plus importantes que la jupe.
Figure 9-3, Piston d’origine (Toyota 2ZZ)
Figure 9-4, Piston d’origine endommagé par une
soupape
Les pistons d’origines sont souvent des pistons coulés sous pression. Je ne sais pas la nuance d’aluminium qui est
utilisé. Certains sont de véritables chefs-d'œuvre d’ingénierie, à la fois exceptionnellement légers, résistants, avec
aussi une dilatation thermique très contenue. J’ai une réelle tendance à utiliser les pistons d’origines le plus possible
à moins d’augmenter la puissance de façon très importante, ou de vouloir changer le rapport volumétrique. Il m’est
difficile de faire une recommandation générale, les qualités des pistons pouvant varier d’un manufacturier
d’automobile à un autre. Toutefois, pour les moteurs japonais, les pistons d’origines devraient faire le travail lorsque
la puissance augmentée est de moins de 50 %. La Figure 9-3 montre clairement le dessous d’un piston d’origine
d’un moteur Toyota 2ZZ de 1.8 litre, en parfaite condition après beaucoup de temps sur piste alors que le moteur
fonctionnait avec un compresseur volumétrique. Observez les nervures de renforcement dans le bas de la jupe, un
poids minimal et une très bonne résistance. La Figure 9-4 montre un piston du même moteur ayant subi un bris
d’une soupape. Un piston en aluminium hyper eutectique de qualité relative se serait brisé en petit morceau face à
un tel évènement.
Les pistons coulés peuvent être faits de différents matériaux dont il est difficile de savoir le choix du manufacturier.
On n’a que très peu d’information à propos de ces pistons lorsqu’il s’agit d’en acheter. Parfois adéquat, parfois
moins, bonne chance.
Les pistons coulés en aluminium hyper eutectique sont souvent proposés et certains en vantent leurs mérites.
Définissons d’abord le terme hyper eutectique. L’aluminium utilisé pour des pistons est en fait un alliage d’aluminium
incluant différents éléments. Par définition, un alliage est une recette incluant le métal principal, ainsi qu’une série
d’ingrédients. On peut dire que les éléments sont dissouts dans l’aluminium. Lorsque le niveau de l’élément ajouté
atteint sa limite de dissolution, on parle que le mélange est eutectique. Lorsque l’élément est inséré au-delà de cette
limite de dissolution, on parle de hyper eutectique. Dans les cas des pistons hyper eutectique, l’élément ajouté est la
silice (du sable en d’autres termes). Le niveau eutectique est d’environ 12 %, alors qu’on retrouvera un pourcentage
de silice entre 16 % et 19 % dans les pistons hyper eutectique. Lors du moulage des pistons, dans la période de
refroidissement, la silice en trop précipite et forme des cristaux. Le principal avantage de la silice est qu’il permet de
restreindre grandement la dilatation thermique de l’aluminium autorisant un jeu plus faible entre le piston et le
cylindre à froid comme à chaud. Cela est un avantage du point de vue de la pollution, de bruit et peut réduire l’usure
du cylindre liée à l’utilisation de piston ayant trop de jeu. Tous ces beaux avantages ont un prix, la silice rend
l’aluminium très solide mais aussi très fragile, pouvant casser comme du verre. Encore une fois, il est difficile de
connaître la qualité des pistons qu’on achète. J’ai tendance à croire que dans le doute, il est parfois mieux de
s’abstenir. J’ai déjà vu de tels pistons littéralement se détruire, un tel bris cause des dommages très importants à un
moteur, la bielle percutant le cylindre et pouvant endommager de façon importante le bloc moteur. Mais soyons
95
clairs, le fait que le piston ait des dimensions plus stables est un réel avantage. KB Performance Pistons vante les
mérites de leurs pistons de type hyper eutectique, ils utilisent le grade 390 (16 à 18 % de silice) pour la construction.
Il est clair que pour obtenir un piston hyper-eutectique de qualité, le refroidissement après moulage doit être
extrêmement bien contrôlé afin que la précipitation de la silice soit homogène.
Figure 9-5, Pièce forgée avant usinage
Figure 9-6, Piston forgé
Les pistons forgés ont une très bonne réputation. Ils sont généralement offerts dans une variété de taux de
compression, en plus de représenter l’archétype en termes de robustesse. Il semble y avoir une tendance dans le
choix de l’aluminium utilisé pour leur fabrication, soit le 2618 (moins de 0.25 % de Silice) ou bien le 4032 (11 à 13.5
% de silice). Le 4032 est un aluminium avec silice dont la concentration de silice le rend eutectique. Cet aluminium
permet d’obtenir des pistons dont la dilatation thermique est contenue, dont l’usage est le bienvenu pour les moteurs
atmosphériques où le risque d’auto-allumage est faible ou peu violent. La nuance 2618 est quand à elle un
aluminium réservé à des applications où nous désirons un maximum de robustesse.
Un piston forgé est fait à partir d’une pièce forgée comme on peut voir à la Figure 9-5. La pièce brute forgée est
ensuite intensément usinée pour lui donner sa forme finale. Le gros défaut des pistons forgés est de demander un
jeu plus important avec le cylindre par rapport aux pistons d’origines, cela à cause d’une dilatation thermique plus
importante. Un jeu trop important peut tout simplement mener à une usure prématurée du cylindre. Il est
recommandé de bien réchauffer le moteur avant d’abuser. Les pistons de la Figure 9-6 montre l’intérieur d’un piston
forgé où on peut voir l’absence d’évidement. Le procédé de fabrication oblige d’usiner l’intérieur du piston si l’on
désire l’alléger. Cet allègement est parfois une option, mais l’usinage intérieur doit être fait avant que soit exécuté
l’usinage extérieur. Il faut tenir pour acquis qu’un piston forgé est toujours plus lourd qu’un piston d’origine. Ross
Racing Piston fabrique des pistons sur mesures avec un très bon service.
9.2
CONSTRUCTION
La température d’un piston n’est pas constante en opération tout au long de sa hauteur. Le dessus du piston est
soumis aux températures très élevées de la chambre de combustion créant une expansion plus importante à cause
de la dilation thermique. Pour cette raison, le diamètre d’un piston n’est pas constant, le bas de la jupe est d’un
diamètre plus grand que la section immédiatement sous les segments. On mesure le diamètre d’un piston au niveau
du bas de la jupe. La différence de diamètre entre le haut et le bas de la jupe est fonction de l’application, qui sera
plus grande pour les applications avec turbo et compresseur que pour les moteurs atmosphériques. Lorsque vous
achetez des pistons, ce n’est pas toujours clair si les dimensions sont adaptées à votre utilisation. J’ai déjà acheté
des pistons d’une marque ayant une bonne réputation, mais dont la différence de dimension entre le haut et bas de
96
la jupe était tout simplement aberrante tant la différence était importante. C’est donc l’avantage de se faire faire des
pistons sur mesure, on s’assure au moins que les pistons sont faits pour notre application.
Un piston aura généralement trois localisations pour l’installation de segments.
Au niveau de l’axe de piston, il y a 2 grandes tendances au niveau des moteurs de série : l’axe est monté avec
serrage dans la bielle; l’axe est mobile dans le piston et la bielle, des barrures sont installées dans le piston afin
d’empêcher que l’axe de piston se déplace. Les pistons de performance sont toujours du deuxième type, soit avec
barrures sur le piston. Toutefois, il faut que la bielle soit prévue à cet effet. L’axe monté avec serrage dans la bielle a
l’avantage de réduire les bruits mécaniques des moteurs.
Évidemment, les pistons doivent avoir été prévus avec des espaces de dégagement pour les soupapes, il faut en
tenir compte lors de leur installation. La profondeur des dégagements est fonction de l’arbre à cames et du jeu qu’on
souhaite avoir avec les soupapes. Lorsqu’on achète des pistons, on n’est jamais certain de ce qu’on recevra. Jeune,
j’avais acheté de splendides pistons forgés Cosworth pour ma moto sans faire les vérifications adéquates. Le
démontage du moteur mis en lumière que les espaces de dégagements n’étaient pas bien localisés, causant le
contact des soupapes sur le dessus du piston lorsque les soupapes flottaient (heureusement sans dommage). Le
jeu entre les soupapes et le dessus du piston doit être suffisant pour éviter tout risque de contact. On verra dans le
chapitre de la culasse que les soupapes d’admission ont moins de risque de contact que les soupapes
d’échappement. Dans tous les cas, il faut un jeu minimal équivalent à l’épaisseur de carbone qui pourrait
s’accumuler sur le piston, soit environ 0.75 mm. Pour les soupapes d’échappement, le risque de contact devient très
important si les ressorts de soupape ne sont pas suffisamment fermes. C’est donc une question de confiance face
au risque de surrégime, de votre certitude pour le choix judicieux des ressorts en fonction de l’arbre à cames et du
poids des composantes, et enfin de tout ce que vous pouvez imaginer d’autre. J’ai vraiment tendance à prévoir un
jeu maximal (entre 1 et 2 mm minimal, et si possible, 2.5 mm) pour les soupapes d’échappement, surtout lorsque le
moteur possède 2 soupapes par cylindre. Un moteur à 4 soupapes par cylindre se permet d’avoir des jeux un peu
plus serrés dans la mesure où la levée sera elle-aussi plus faible. Il faut un peu plus de jeu si les bielles sont en
aluminium (0.25 mm) car l’aluminium se dilate davantage.
Figure 9-7, Piston avec trou de pression au niveau du segment supérieur
L’épaisseur des segments ainsi que le jeu à l’intérieur des gorges vous est généralement imposée par le
manufacturier du piston.
Le dôme du piston doit être fait en harmonie avec la chambre de combustion. J’ai déjà vu des pistons qui fondaient,
la bougie étant localisée trop près de la surface. Idéalement, l’espace entre le piston et la paroi de la chambre de
combustion serait le plus constant possible.
Un piston utilisé pour un moteur suralimenté gagne à avoir des segments de piston plus éloignés les uns des autres
afin d’augmenter la capacité des sections portantes. On peut aussi descendre le segment du haut pour diminuer sa
température.
On retrouvera parfois des petits trous sur le dessus d’un piston afin de créer une pression sur le segment du haut,
ce qui améliore l’étanchéité de ce dernier. La Figure 9-7 montre clairement les petits trous exercés sur le dessus du
piston. Cette solution est parfois utilisée pour des moteurs suralimentés de compétition ou utilisant de la nitro. Cette
solution ne devrait pas être utilisée pour les moteurs de circuit routier ou de rallye. Les trous laisseront passer le
carbone qui éventuellement s’accumulera dans la gorge du segment, ce qui n’est pas souhaitable.
97
9.3
RECOUVREMENT
Il faut d’abord distinguer le recouvrement de la jupe versus le recouvrement de la surface du dessus.
Le recouvrement de la jupe est une option offerte par plusieurs manufacturiers de pistons, encore ici le choix se
divise en deux différentes catégories. Mais tout d'abord, signalons que peu de pistons d’origine possèdent un
recouvrement spécial.
Le recouvrement de la jupe le plus populaire consiste en une fine couche de matériel qui agit comme lubrifiant
naturel pour diminuer la friction. Un tel enduit a aussi un effet bénéfique en réduisant le risque de grippage. Mon
expérience est limitée avec ce type d’enduit, ma seule réelle expérience étant sur un moteur de moto Suzuki. Avec
le temps, j’ai pu observer que l’enduit s’use graduellement. Je doute fort du gain, les motos modernes de haute
performance n’ont généralement pas d’enduit sur les pistons. Lorsque les pistons reçoivent un débit d’huile constant
sous leur jupe (via des jets d’huile), je ne crois pas que c’est vraiment utile d’avoir le recouvrement, surtout si les
pistons sont usinés avec des petits sillons accumulant l’huile. Toutefois, les pistons qui reçoivent l’huile sous leur
jupe par le mouvement du vilebrequin gagnent sûrement à avoir de tels recouvrements. Disons donc qu’en résumé
je ne paierais pas pour avoir un recouvrement, mais si ça vient avec les pistons, on ne peut pas être contre la vertu.
Le deuxième type de recouvrement consiste à durcir la jupe par anodisation. L’anodisation n’est pas réellement un
procédé de recouvrement, mais davantage un procédé de traitement de surface. L’anodisation permet d’augmenter
la couche d’alumine. L’alumine est le produit de l’oxydation de l’aluminium, qui est particulièrement dure et
résistante. En pratique, on reconnait la qualité naturelle de l’aluminium comme matériau qui se corrode peu. Dans
les faits, l’aluminium est très corrosif, la corrosion ainsi créée par l’oxydation protège l’aluminium. Il y a différents
procédés d’anodisation. La méthode dite « dure » permet d’obtenir une couche d’alumine plus épaisse. Ici nous
sommes donc à l’opposé du recouvrement de la jupe par un matériel antifriction. Les recouvrements antifriction sont
généralement assez mous, alors que l’alumine est très dure. Le but est très différent, avec une utilisation
généralement limité aux moteurs ayant des charges extrêmes sur les pistons et de courtes durées, comme les
moteurs de voitures de course d’accélération où les puissances n’ont presque pas de limite.
En cherchant, vous trouverez sûrement plusieurs variations de recouvrement de jupe.
Le recouvrement du dessus du piston joue un rôle totalement différent. Le recouvrement est généralement composé
d’une couche de céramique. La céramique est un matériau particulièrement isolant et résistant aux hautes
températures. La couche de céramique ajoutée est très mince, des tests sur des moteurs expérimentaux ont déjà
été faits avec des couches plus importantes. La couche de céramique protège la surface du piston si les
températures deviennent trop importantes, lorsque les températures atteintes peuvent créer un effritement de
l’aluminium. La capacité isolante permet aussi de transférer moins de chaleur au piston. Toutefois, avec le
recouvrement de céramique, la surface du piston peut devenir plus chaude favorisant l’auto-allumage. Cette chaleur
latente sur les pistons peut donc à la limite augmenter l’efficacité thermique d’un moteur, mais pas forcément les
performances. Toutefois, la céramique demeure surtout une solution pour les moteurs qui ont tendance à briser
prématurément le dessus des pistons.
9.4
REFROIDISSEMENT
Les pistons sont au premier plan de l’avalanche de chaleur causée par la combustion. Contrairement à la culasse,
les pistons ne sont pas parcourus par un circuit de refroidissement. Les moyens de refroidir les pistons sont assez
limités, se limitant à l’échange de chaleur qui se produit entre le piston et le cylindre, ainsi que l’huile projetée sous
sa jupe. L’échange de chaleur avec le cylindre se fait principalement par les segments. Des segments plus épais
favorisent un meilleur échange de chaleur. Idéalement, la jupe ne touche pas directement la surface du cylindre
alors qu’un film d’huile devrait les séparer.
L’huile sous les pistons agit dans une plus faible proportion au refroidissement des pistons, bien que lorsqu’il y a des
jets d’huile sous les pistons en permanence, cette proportion augmente. L’avantage le plus important de la
lubrification avec jet d’huile sous les pistons étant de favoriser la lubrification du piston.
9.5
JEU AVEC LE CYLINDRE
Le jeu entre le piston et le cylindre est important et doit être à l’intérieur de certaines valeurs bien précises. Un jeu
trop important peut créer une usure prématurée du cylindre et du piston. Un jeu trop faible peut tout simplement
provoquer un grippage.
98
Le jeu se vérifie au niveau du bas de la jupe à 90 degrés de la ligne de centre de l’axe, idéalement, votre moteur
serait alésé en fonction des pistons, ce qui n’est pas évident lorsque vous désirez installer les pistons dans des
cylindres existants. Toutefois, les pistons sont généralement de mêmes dimensions à l’intérieur de tolérances très
serrées.
Pour les pistons d’origines, prenez le jeu recommandé pour votre moteur selon les consignes d’origines. Pour les
pistons forgés, prenez le jeu recommandé par le manufacturier de vos pistons. Il peut aussi être possible que
certains préparateurs jouent avec ces valeurs basées sur leur expérience spécifique. Les données des
manufacturiers sont des valeurs génériques, qui sont indépendantes de votre préparation spécifique.
Techniquement, ce qui influence le choix du jeu inclut les enjeux suivants :
-
Matériau du bloc moteur et des cylindres (l’aluminium a plus d’expansion que la fonte)
Niveau de suralimentation
Le diamètre des pistons (l’expansion thermique est proportionnelle au diamètre du piston)
Le matériau des pistons
Le niveau de refroidissement des pistons (tel que l’huile)
Le niveau de refroidissement du moteur
Normalement, avant de demander le maximum de puissance à votre moteur, le niveau de température devrait être
atteint. Et pour atteindre le niveau de température, le moteur doit être sollicité. La température des pistons peut
varier très différemment de la température du liquide de refroidissement.
99
10
SEGMENT
Les segments sont installés sur le piston et servent à rendre relativement étanche ce qui se déroule dans le cylindre
et la chambre de combustion d’avec le bas du moteur. Le bas du moteur opère à une pression voisine de la
pression atmosphérique. Lorsque les segments ne sont pas assez étanches, de l’air inclus dans la section de la
combustion fuira vers la base du moteur. Cette fuite crée une perte de puissance, puis des segments peu étanches
créeront une ventilation anormale du bloc moteur.
10.1
TYPE
Il y a bien des types de segments, mais il semble y avoir une grande tendance. En général, les pistons se voient
octroyer 3 gorges prévus pour recevoir des segments. Il y a le segment supérieur, le segment intermédiaire, et enfin
le segment inférieur. Chacun des segments possède une fonction différente des autres. On peut parfois voir des
moteurs 2 temps avec un seul segment. On peut aussi voir certains moteurs n’ayant que 2 segments; j’en ai déjà vu
avec 4. Le niveau d’étanchéité se fait au détriment de la friction. C’est donc un compromis qui est fait. Si vous aviez
à concevoir un moteur qui doit avoir une efficacité optimale, dont la vitesse moyenne des pistons est faible, avec
une durée de vie devant être exceptionnellement longue, le nombre de segments gagnerait à être très élevé. À
l’autre extrémité, un moteur tournant extrêmement rapidement dont la durée de vie est courte sera conçu avec un
minimum de segment. Noter que certains petits moteurs d’autos téléguidées n’ont tout simplement aucun segment.
Mais disons que la norme automobile se limite généralement à 3 segments. La Figure 10-1 montre un ensemble de
segments typique.
Le segment supérieur a pour principale fonction de sceller. Ce segment voit la majeure partie de la pression
générée dans la chambre de combustion, c’est aussi lui qui reçoit un maximum de chaleur. Sa forme est
généralement arrondie, le sens d’installation n’est pas critique, mais lorsque mentionné, il faut le mettre dans le sens
indiqué. On retrouvera souvent la note T sur la surface du segment à mettre vers le haut.
Le segment intermédiaire a quant à lui deux fonctions. La première étant d’épauler le segment supérieur dans sa
fonction de sceller. La deuxième fonction étant de racler le cylindre et d’amener avec lui l’huile lorsque le piston
descend dans le cylindre. Sa forme est généralement biseautée, son sens d’installation est important. On retrouvera
la note T sur la surface du segment à mettre vers le haut.
Le segment inférieur (aussi appelé segment à l’huile) est totalement différent des deux précédents. Il est
généralement fait d’un assemblage de 3 pièces. Sur les moteurs plus anciens, sa construction est souvent une
pièce à deux points de contact dans laquelle est inséré un ressort avec une broche. La construction qu’on retrouve
maintenant est différente et plus performante pour racler l’huile. Il y a deux petits segments très minces, et la
troisième pièce est un type de ressort utilisé pour maintenir la pression des deux petits segments sur le cylindre. Il
n’y a pas d’ordre d’assemblage. Les petits segments sont là pour créer une pression maximale sur le cylindre avec
une force idéalement minimale. Le fait qu’ils soient minces permet d’atteindre ce but. Ces segments ne servent pas
à prendre la pression provenant de la chambre de combustion. D’ailleurs, la gorge les recevant dans le piston
possède des trous communicants avec le dessous du piston. L’huile aspergée sous la jupe du piston peut ainsi
circuler au niveau de ces segments. C’est ces derniers qui gèrent les fuites d’huile vers la chambre de combustion.
Ainsi, des segments défectueux pourront créer une consommation d’huile importante du moteur
Les segments sont faits comme un anneau ayant une ouverture sur la circonférence qui permet une dilatation
thermique ainsi qu’une installation aisée.
La position de montage des segments est relativement importante. La position de la séparation du segment
supérieur peut demander d’être à 180 degrés de la séparation du segment intermédiaire. Référez-vous à
l’information fournie par le manufacturier des segments, ou à l’information du fabricant de votre moteur.
Lorsqu’on installe des segments sur des pistons, il faut s’assurer que la gorge du segment n’a pas d’accumulation
de carbone, surtout pour les moteurs ayant eu une vie trop facile. Le jeu en hauteur doit aussi être contrôlé, trop de
jeu indique que les pistons sont usés et qu’ils doivent être remplacés. Les jeux adéquats sont disponibles dans le
manuel de votre moteur.
Il y a aussi des segments dits « total seal ». Honnêtement, je ne sais pas. J’ai tendance à croire qu’un moteur qui
tourne à pleine vitesse n’a pas besoin de solution supplémentaire à ce qui se fait normalement. Ces segments
reçoivent un usinage supplémentaire afin d’insérer un autre petit segment très mince. J’imagine que ce doit être
bien dans la mesure où ils en vendent. Toutefois, j’essai déjà pas mal de chose qui me donne des problèmes. Avant
100
de faire le pas vers une technologie qui ne me donne pas grand-chose, je m’assurerais d’avoir des opinions de
personne en sachant plus long que moi. Vous me laisserez savoir…
Figure 10-1, Arrangement des segments
10.2
MATÉRIAU
Le matériau le plus courant pour le segment supérieur est de la fonte ductile, alors que le segment intermédiaire
risque d’être fait en fonte grise. La fonte ductile est une fonte très résistante, mais demeure un matériau avec un
comportement plus fragile que l’acier. La fonte offre une tenue de dimension incroyable même à des températures
élevées (les disques de frein des autos sont aussi en fonte). C’est très rare que l’information du matériau soit
disponible pour les petits segments à l’huile, mais j’imagine que c’est de l’acier car ils sont généralement
extrêmement flexibles. Bien que parfois difficile à insérer dans le cylindre, ils ne cassent jamais. Le ressort pour le
segment d’huile peut être fait en acier galvanisé, ou tout simplement en acier inoxydable.
Le fabricant Mahle (voir référence) semble fournir des segments en acier. Les segments en acier devraient offrir une
plus grande résistance mécanique, mais je ne crois pas que ce soit la promesse de la révolution des moteurs à
combustion. Mais si votre moteur a tendance à casser des segments (ce que je n’ai jamais vu, mais mon expérience
est limitée), des segments en acier peuvent somme toute être la solution.
10.3
RECOUVREMENT
Toujours ces recouvrements, les recouvrements ne sont jamais faciles à interpréter. Tout d'abord, il y a des enjeux
marketing qui biaisent la discussion.
Sur les segments, nous retrouvons des recouvrements de type « chromé » et des recouvrements de base contre la
rouille.
Il faut toujours se rappeler que lorsqu’on installe un segment, il n’est pas agencé avec le cylindre dans lequel il
passera sa vie à monter et descendre. Dans les tout premiers millions de cycles, le segment devra s’user pour
siéger correctement avec le cylindre. Le recouvrement du segment doit donc pouvoir s’user pour laisser le segment
s’ajuster avec le cylindre.
Les recouvrements de type « chromé » sont principalement utilisés pour le segment supérieur. Le but est de réduire
la friction et d’offrir au segment une résistance accrue à l’abrasion. Il faut voir ici que le segment du haut se voit
pressé littéralement sur la paroi par la pression générée dans la chambre de combustion. En effet, la pression
descend le long du haut du piston, puis se dirige dans la gorge du segment, poussant ainsi l’arrière du segment
contre le cylindre.
Le segment intermédiaire est souvent uniquement recouvert d’un recouvrement contre la corrosion, rien d’exotique.
Les petits segments à l’huile sont généralement pourvus avec un recouvrement de type « chromé ». Ces segments
doivent demeurer avec une surface de contact très étroite sur la paroi du cylindre afin de briser le film d’huile. Cette
surface étroite assure une pression maximale pour une friction minimale.
10.4
JEU DANS LE CYLINDRE
Comme nous l’avons vu, les segments sont pourvus d’une séparation. Cette séparation est critique dans la mesure
où une séparation trop importante crée un joint moins étanche. Un jeu trop faible peut tout simplement briser votre
101
moteur, car en cas d’expansion thermique trop importante, le jeu deviendra nul ou engendra une interférence. Dans
ce dernier cas, le segment tentera de devenir plus grand que le cylindre. À un certain point, quelque chose devra
céder, le segment, le piston ou bien le cylindre.
Il ne faut pas se surprendre de constater que le segment supérieur doit recevoir un jeu important pour contrer la
température de fonctionnement plus élevée. Toutefois, le second segment devra recevoir un jeu légèrement plus
important pour contrer les risques de flottement. Il faut aussi penser que la température du segment sera influencée
par le type de modification que vous apportez. Ainsi, un moteur turbo hautement modifié risque d’avoir besoin d’un
jeu plus important qu’un moteur atmosphérique d’origine. De plus, la dilatation thermique en termes de longueur
absolue est fonction de la longueur du segment lui-même, donc fonction du diamètre du cylindre. Ainsi, un moteur
avec des pistons plus grands en diamètre demande des jeux plus importants.
Pour vérifier le jeu dans la séparation du segment, il faut simplement l’installer dans le cylindre, puis mesurer la
distance entre les deux extrémités. La valeur que doit avoir ce jeu est disponible dans le manuel de votre moteur.
Vous pouvez aussi vous fier aux indications fournies par votre manufacturier de segment.
102
11
BIELLE
Une bielle est une pièce fondamentale du moteur à combustion. La bielle relie le piston au vilebrequin. C’est par elle
que le mouvement linéaire du piston se transfère en mouvement de rotation du vilebrequin. Il s’git d’une pièce
relativement simple, mais qui nécessite néanmoins de s’y attarder.
11.1
MODE DE BRIS DE LA BIELLE
Une bielle peut briser selon quelques modes et pour en compter quelques-uns : il y a le flambage; un bris résultant
de la fatigue ou d’une charge trop importante. La bielle pourrait aussi bien se briser au niveau de la base, mais ce
serait plus étonnant.
Le flambage se caractérise par une déformation non contrôlée alors que les contraintes demeurent en deçà de la
capacité du matériau. Le fait qu’une bielle soit montée sur deux rotules fait du flambage un mode de bris important.
Une bielle longue dont la tige est fine est plus à risque. Évidemment, un matériau avec de meilleures capacités
mécaniques diminue le risque de flambage. Le risque de ce type de bris augmente aussi avec les moteurs
suralimentés pouvant subir de fortes charges provoquées par l’auto-allumage.
Une bielle est soumise à des charges de compression et de tension. Elle est aussi soumise à des contraintes de
flexion dans la tige causée par son inertie de masse, provoqué par son changement continuel de direction. Ces
contraintes combinées sont bien présentes et peuvent causer des bris en fatigue. La fatigue étant un bris résultant
d’une charge répétitive malgré le fait que les contraintes demeurent en deçà de ses capacités. Le matériau possède
une certaine mémoire des charges exercées sur lui. L’acier possède moins de mémoire que l’aluminium, il est
convenu qu’une charge de moins de 50 % de sa capacité ne lui causera pas ou peu d’effet. L’aluminium a toutefois
une mémoire plus élevée, on peut parler de 35 %, mais avec une résistance limite de 130 MPa (19 ksi) de capacité
ultime en fatigue peu importe le type d’aluminium utilisé. Ce mode de bris est plus rare pour les bielles en acier.
Toutefois, le fait d’augmenter de façon importante le régime maximal du moteur augmente de façon importante les
contraintes dans le matériau, les efforts de tension deviennent la cause principale de bris. La charge en
compression est moins critique à priori sauf dans le cas de flambage.
Il est difficile de dire si les bielles doivent être changées sur votre moteur, cela est spécifique à chaque moteur, et
dépend aussi du niveau ainsi que du type de modifications apportées.
Mon expérience personnelle m’a démontré que le risque de bris de bielle est très faible, mais il peut néanmoins
devenir utile de les changer afin d’améliorer la fiabilité des coussinets.
11.2
EFFET SUR LA FIABILITÉ DU MOTEUR
Tel que mentionné précédemment, une bielle brisera rarement. Néanmoins, ce n’est pas à cause qu’elle ne brise
pas qu’elle ne peut pas causer des dommages importants.
Figure 11-1, Bielle d’origine avec structure de base
très flexible
Figure 11-2, Bielle d’origine avec structure de base
rigide
Une bielle se comporte relativement bien sous les efforts de compression, la géométrie du côté de la tige assure
normalement une stabilité géométrique suffisante. Toutefois, surtout lorsqu’on augmente le régime moteur, le côté
du capuchon de la bielle peut se déformer élastiquement et rendre ovale le diamètre intérieur de la bielle. Ceci peut
alors compromettre la vie du moteur. Plus le poids du piston et de la bielle sont important, et plus le capuchon de la
bielle est soumis à des efforts causant sa déformation élastique.
103
La Figure 11-1 montre clairement une bielle dont la structure de base est très légère et vraisemblablement trop
flexible pour supporter des régimes importants. Dans les faits, cette bielle demande des remplacements fréquents
de coussinets, mais nous y reviendrons dans la section coussinet. La Figure 11-2 montre quant à elle une bielle
offrant une base très rigide pouvant supporter des régimes importants.
11.3
MATÉRIAU
Les bielles sont généralement fabriquées en utilisant un acier allié à forte teneur en carbone comme le 4340. Les
bielles d’origines sont normalement forgées avant d’être usinées.
Une bielle haute performance est quant à elle souvent issue d’une pièce d’acier brut usiné dans la masse, pouvant
être traitée thermiquement. Bien souvent la bielle sera artificiellement écrouie en surface en utilisant des procédés
par jet de billes.
Le niveau de qualité des bielles varie d’un manufacturier à l’autre, bien souvent les caractéristiques indiquées se
limitent au choix de matériau. Le matériau seul ne garantit pas une capacité optimale, un acier de qualité permet
d’obtenir des capacités mécaniques exceptionnelles lorsqu’un traitement thermique est fait.
Vous trouverez dans des livres des méthodes d’augmenter la capacité de vos bielles en enlevant les bavures issues
de la forge, puis vous conseillant de bien polir les surfaces de la tige, puis faire écrouir la surface avec un procédé
de jet de bille. Avec la technologie actuelle d’usinage numérique, les bielles hautes performances sont devenues
accessibles au niveau du prix, ce qui me laisse perplexe sur la pertinence de préparer celle d’origine. De plus, la
modification de vos bielles n’ajoute pas de matériel dans la base, là où il y a un véritable gain à renforcer ces
dernières.
Une bielle usinée dans la masse permet de réduire au minimum les variations géométriques en surface pour des
concentrations de contraintes minimales, permet aussi de réduire sa masse, enfin, le choix de matériau est libre et
se limite à ce tout ce qui est disponible sur le marché.
Vous trouverez parfois des bielles en aluminium. Ces bielles sont très massives en termes d’encombrement. Leurs
vies sont limitées, puis leurs utilisations se limitent essentiellement aux moteurs dédiés aux courses d’accélération.
Le titane représente un autre choix de matériau pouvant être utilisé pour la fabrication de bielle. De résistance
élevée, entre celle de l’acier doux et trempé, puis un poids se situant entre l’aluminium et l’acier, c’est le nec plus
ultra. Encore une fois, le prix de revient est l’enjeu principal. Les bielles en titane doivent être recouvertes d’un
recouvrement permettant de glisser sur l’acier sans grippage. Les bielles sont toujours montées sur le vilebrequin à
l’intérieur d’un espace délimité par des surfaces de côtés où les bielles peuvent s’y appuyer. Le titane à l’état brut
est sujet à gripper sur l’acier. Le recouvrement permet d’éliminer le contact du titane d’avec l’acier. Évidemment, le
recouvrement doit être bien appliqué à la bielle, puis ne jamais être altéré. Il n’est donc pas question de modifier la
base d’une bielle en titane.
11.4
CONCEPTION
Quelques grandes différences existent entre les bielles offertes sur le marché. Tout d'abord, il y a sa forme
générale. On distingue deux approches différentes : soit celle avec une forme en I ou soit celle avec une forme en
H. D’origine, toutes les bielles utilisent une forme en I qui permet une fabrication par forgeage avec un minimum
d’usinage après coup.
La forme en H est de plus en plus populaire mais j’avoue mon inconfort constant face à cette géométrie. Je suis
ingénieur malgré tout. L’inertie de surface (un peu complexe à expliquer, mais se résume à prendre la surface et de
la multiplié par la distance au carré de son centre par rapport à l’axe neutre, cette explication n’est probablement
pas plus clair…) de la bielle en H est définitivement plus faible qu’une bielle en I dans l’axe où la bielle est soumise
à des efforts de flexion. Toutefois, cela est utile dans le cas de contrainte élevée en flexion. À partir du moment où la
bielle possède une inertie de surface suffisante, il est vrai que de l’inertie supplémentaire n’ajoute rien. J’ai tendance
à croire que le majeur avantage de la bielle en H est de permettre de l’enlèvement de matière dans le haut de la
base sans diminuer pour autant sa rigidité.
Les boulons retenant le capuchon de la bielle à celle-ci jouent un rôle crucial, car plus le serrage est important, plus
le capuchon sera comme encastré à la bielle. Les boulons employés sont généralement des boulons avec des
propriétés mécaniques extrêmes qui surpassent de loin les caractéristiques des boulons traditionnelles.
104
Une autre grande différence entre les bielles disponibles est l’emploi ou non d’un coussinet en bronze au niveau de
l’attachement avec le piston. Dans certaines applications, les axes de piston sont pressés avec interférence dans la
bielle. Ce qui assure que l’axe ne se déplace pas. Dans ce cas, l’axe sera flottant dans le piston et des derniers ne
reçoivent pas de barrure afin de bloquer l’axe. Cette méthode est économique, vraisemblablement fiable, mais
devient rapidement « chiante » lorsqu’on démonte régulièrement un moteur. Évidemment, lorsque l’axe est monté
avec serrage, la bielle n’a pas et ne doit pas avoir de coussinet en bronze.
Figure 11-3, Bielle en H
L’idéal est donc d’utiliser des bielles permettant un montage flottant de l’axe de piston. Dans ce cas, on trouve
souvent des bielles ayant des coussinets en bronze, mais pour certaines applications, l’axe pivote directement dans
la bielle avec un contact acier sur acier. Ce type de montage oblige l’utilisation de pistons pouvant recevoir des
barrures afin de bloquer le déplacement latéral de l’axe de piston. Les pistons de performance sont presque toujours
avec barrures, toutefois, ce n’est pas assurément le cas pour les pistons de plus bas de gamme.
11.5
EFFET SUR LA PUISSANCE
Évidemment, une bielle lourde augmente l’inertie du moteur. Sa masse rotative ne coute rien en puissance, mais ne
fait qu’augmenter l’inertie du moteur. Sa masse alternative cause une augmentation de friction, mais j’ose penser
que les gains espérés sont assez marginaux.
La longueur d’une bielle influence la position du piston dans son cycle tel que présenté à la Figure 9-2. Plus la bielle
est longue et plus le piston passe du temps dans le haut du cylindre. L’installation de bielles plus longues demande
l’installation de piston ayant une distance plus courte entre le dessus et l’axe de piston. Une bielle plus longue limite
aussi le phasage des arbres à cames afin d’éviter des contacts entre les soupapes et le piston. Mais on parle ici de
variation assez minime. Du point de vue de la puissance, une bielle longue favorisera une puissance plus élevée du
moteur en utilisant le plus longtemps possible la pression maximale dans le cylindre. Les moteurs sont conçus avec
un niveau de compromis entre puissance, compacité, et phasage des arbres à cames.
105
12
VILEBREQUIN
Le vilebrequin est la pièce maîtresse d’un moteur. Tous les efforts passent par lui. Ici, on parle très peu de gain de
performance, mais on le souhaite très fiable. Le vilebrequin peut se briser sous différents modes : il peut tout
simplement casser; ou bien les surfaces des manetons ou des tourillons peuvent s’endommager.
Figure 12-1, Vilebrequin typique d’un moteur 4 cylindres en ligne
Un vilebrequin d’un moteur 4 temps est une pièce complexe, tant par sa forme un peu étrange, que par sa
fabrication. Il s’y joue des forces internes provoquant des contraintes complexes.
12.1
FABRICATION
Afin de rencontrer la forme complexe du vilebrequin, les moyens de fabrications pour la pièce brute varient. Nous
pouvons les diviser en trois groupes :
-
issue d’un coulage;
issue d’un forgeage;
issue d’un usinage dans la masse brute.
Lorsque la fabrication utilise le coulage, on parle d’un vilebrequin qui est généralement fabriqué à partir de la fonte
de fer. Bien que certaines fontes de fer aient des propriétés mécaniques étonnantes, c’est néanmoins la version
qu’on souhaite le moins avoir dans un moteur de course. On distingue un vilebrequin issu d’un coulage par la fine
ligne de démarcation du moule, telle que mise en évidence sur la Figure 12-2.
Figure 12-2, vilebrequin issu d’un coulage
Figure 12-3, vilebrequin issu d’une forge
Lorsque la fabrication utilise le forgeage, les manufacturiers ont un grand choix du matériau de première qualité. Il
est évident qu’il nous est difficile de savoir le matériau utilisé par le manufacturier, mais on parle d’acier à forte
proportion en carbone, ou bien tout simplement d’acier allié. La forge a aussi d’autres avantages, dont celui de créer
une orientation des grains du métal sur les surfaces. Un vilebrequin forgé est presque un requis pour un moteur
modifié. Heureusement, plusieurs moteurs arrivent avec de tels vilebrequins d’origine, mais pas tous. Les moteurs
japonais sont généralement avec de tels vilebrequins, cela même pour les moteurs très communs. On distingue un
106
vilebrequin forgé par la large bande de démarcation issue de la forge, telle que mise en évidence à la Figure 12-3
issue d’un moteur Honda H22A.
La troisième méthode de réalisation d’un vilebrequin est la méthode exotique qui se résume à prendre un matériau
de première qualité, puis d’usiner dans la masse pour lui donner la forme voulue. On ne retrouvera jamais de telle
pièce sur une voiture de tous les jours, je ne sais pas quelle voiture pourrait en être pourvu livré d’usine. On ira vers
cette option lorsqu’on aura démontré que le vilebrequin forgé n’est pas apte à faire son travail. Les seules autres
raisons pour aller vers cette solution seraient des vilebrequins tout simplement cassés, ou bien qu’on désire avoir
des caractéristiques différentes telles que la course du moteur ou une réduction importante des masses. Je ne vous
cacherai pas que je n’ai jamais eu recours à cette option.
Une fois la forme du vilebrequin réalisée, plusieurs opérations d’usinages sont nécessaires. Il y a évidemment
l’usinage des tourillons, puis des manetons, le perçage de lubrification, l’équilibrage, puis l’usinage requis pour
l’installation des accessoires soit à l’avant ou à l’arrière du vilebrequin tel que le volant.
L’usinage des tourillons nécessite une grande précision, la surface servira de surface portante pour l’huile des
coussinets. Certains détails liés aux coussinets seront vus à la section 13.5. Il en est de même pour les manetons.
On verra parfois des surfaces traitées afin de les rendre plus résistantes, on parle dans ces cas de procédé de
traitement par nitruration qui modifie les propriétés de la surface sur une très faible épaisseur. Le vilebrequin ne sera
pas plus solide en soi, mais aura une meilleure résistance à l’usure. Sans traitement, les tourillons et manetons
peuvent devenir ovales. Lorsqu’il y a un problème de lubrification au niveau des paliers, les tourillons et manetons
peuvent s’endommager grandement. Dans ce cas, vous avez deux options, soit faire réusiné le vilebrequin et
installer des coussinets compensés, ou bien en acheter un tout neuf. Lorsque les moteurs sont très poussés,
l’option du remplacement par un neuf peut devenir votre seule solution. Si l’on prend l’exemple des motos, il semble
qu’un vilebrequin remis à neuf ne puisse pas suffire à la tâche. Mais généralement, les deux options sont possibles.
Normalement, vous gagnerez à faire faire un micropolissage sur les paliers. Certains préparateurs augmenteront
légèrement le jeu entre les coussinets et les paliers pour réduire la friction et pour augmenter la lubrification.
Si vous comptez installer des roulements à rouleaux au lieu de coussinet, ce qui est extrêmement spécifique et
essentiellement réservé à des moteurs de course d’accélération dans les catégories reines, la préparation du
vilebrequin sera différente. Ainsi, le vilebrequin devra avoir une trempe en profondeur aux endroits où les rouleaux
seront en contact. Afin d’obtenir une trempe profonde, le matériau utilisé pour le vilebrequin devra être un acier allié
tel qu’un acier 4340, 8640, etc. Ensuite, le vilebrequin doit recevoir un traitement afin d’augmenter la teneur en
carbone en surface, puis ensuite une trempe afin d’obtenir une dureté d’au moins 58-60 Rc en surface, avec une
profondeur de trempe assez importante. Avant de vous lancer dans un tel projet, tentez de trouver des personnes
ayant l’expertise adéquate.
12.2
CONCEPTION
Le vilebrequin possède une série de galeries de distribution de l’huile. L’huile est acheminée aux bielles via ces
galeries. Les vilebrequins de plus haute performance seront conçus avec des galeries telles que représenté à la
Figure 12-4 et dite de type « à travers », traduction libre de l’anglais « cross drilled ». Ce type de galerie permet une
lubrification optimale avec 2 trous de distributions par paliers. Toutefois, le trou de lubrification brise le film d’huile à
un stade où le coussinet pousse beaucoup sur le vilebrequin. La Figure 12-5 montre la configuration de galerie la
plus répandue. L’image n’est pas très claire, mais il est toujours difficile de figurer ce type de perçage à l’aide d’un
dessin alors que lorsqu’on a la pièce dans les mains, ça devient rapidement plus clair. Disons que la surface du
palier possède un seul trou de distribution d’huile, localisé à environ 35 degrés avant le point mort haut.
L’alimentation en huile n’est pas optimale, par contre, le film d’huile est optimal sir l’huile réussit à faire son travail
avec l’élévation de température. Ce n’est pas aussi bien que le type « à travers ». Si vous avez des problèmes de
lubrifications, vous pouvez toujours faire modifier votre vilebrequin pour obtenir des galeries « à travers », mais ce
sera compliqué et onéreux. Évidemment, une telle modification ne sera pas possible si le vilebrequin possède des
évidements au niveau des manetons.
Les modifications les plus fréquentes sur les vilebrequins sont :
-
micropolissage des paliers;
nitruration des paliers;
augmentation de la course;
réduction de la masse;
augmentation du jeu pour les coussinets;
coupe des bordures.
107
L’augmentation de la course se fait relativement facilement, les centres de reconditionnement de vilebrequin offrent
généralement ce service. Cette modification demande des opérations de soudage et d’usinage. L’accroissement de
la course aura comme effet qu’il faudra ajuster la hauteur du piston au point mort afin qu’il demeure à peu près le
même que d’origine, ce qui peut demander beaucoup d’effort. Par contre, dans certains cas, cela peut devenir très
simple lorsque des pièces d’autres séries de moteurs existent et peuvent être installées.
Figure 12-4, vilebrequin avec galerie de type à travers
Figure 12-5, vilebrequin avec galerie avec trou de travers
On retrouve souvent des masses ajoutées au vilebrequin pour balancer le poids de la bielle et du piston. Dans le
cas du vilebrequin de la Figure 12-4, on peut noter qu’à l’opposé du maneton se trouvent deux masses importantes.
Ces deux masses sont normalement faites pour balancer le poids du maneton lui-même, généralement le poids de
la partie rotative de la bielle, et parfois un pourcentage de la partie de la masse alternative qui inclue la partie
alternative de la bielle et le poids de l’ensemble piston.
Figure 12-6, vilebrequin avec coupe des bordures
108
Évidemment, ces masses sont là pour diminuer les contraintes dans le vilebrequin. Sans ces masses, le vilebrequin
se déforme comme une corde à danser créant plus de contraintes dans le vilebrequin lui-même et surtout sur les
paliers. Évidemment, choisir d’enlever ces masses est tout à fait possible, beaucoup d’anciens moteurs en sont
dépourvus comme en font foi les moteurs qu’on retrouve souvent dans les vieilles voitures britanniques des années
50-70. Ces moteurs ne sont pas les plus fiables au niveau du vilebrequin. Enlever les masses procure certainement
des réactions plus vives du moteur tout comme le fait un volant allégé. Il peut y avoir un petit gain en performance
sur les rapports inférieurs, mais c’est relativement marginal. La coupe des bordures diminue elle aussi la masse du
vilebrequin en plus de le rendre plus aérodynamique lorsqu’il tourne sur lui-même, ce qui procure un gain en
puissance. La Figure 12-6 montre un vilebrequin modifié avec coupe des bordures. Il faut vraiment chercher les
dixième de seconde pour vouloir prendre ce genre de vilebrequin, et personnellement, en circuit routier, je ne
favorise pas cette avenue.
109
13
13.1
BLOC
MATÉRIAU
Un petit cours d’histoire s’impose. Avant les années 60, les blocs moteurs étaient principalement faits de fonte de
fer. Des moteurs relativement petits pouvaient devenir incroyablement lourds pour leur grosseur. Si l’on prend les
moteurs des anciens Mini avec une cylindrée de seulement 1000 cc, leur poids est tout simplement étonnant et peut
être plus lourd que certain bloc de moteur V8 en aluminium. Au cours des années 60, l’aluminium a fait une entrée
qui fut rapidement freinée par la crise pétrolière de l’époque, avec en plus le développement de méthode de coulage
permettant de fabriquer des blocs moteurs de fonte de fer à paroi mince. Des moteurs légers en fonte ça existe. Si
l’on prend les petits moteurs de Toyota MR2 de 1600 cc, ces blocs sont étonnamment légers.
L’aluminium est de nouveau de plus en plus préconisé pour la fabrication des blocs moteurs. Les gains en poids ne
sont pas toujours foudroyants. Lorsqu’on compare des moteurs de GM tels que les moteurs LS376/515 (tout alu) et
ZZ383 (bloc en fonte, tête en aluminium), la différence de poids est étonnante. En effet, les deux moteurs ont une
cylindrée voisine de 6.2 litres, leur poids est aux alentours de 180 kg chacun. Donc aucun véritable gain en termes
de poids.
Certains moteurs comme les Honda H22 sont étonnamment lourds, la tête seule d’un moteur à deux configurations
de came pèse lourd dans la balance.
Néanmoins, le V8 Rover tout aluminium est réellement léger, mais n’est pas un monstre de rigidité et de fiabilité.
L’aluminium est environ 3 fois plus léger que l’acier, mais est aussi 3 fois plus flexible. Toutefois, les procédés de
moulage de l’aluminium permettent de mouler des pièces avec de multiples renforts, ce qui devient un avantage
pour aller chercher un maximum de puissance avec un maximum de fiabilité.
Ici il n’y a pas de grand gagnant, mais il est clair que l’aluminium permet une plus grande flexibilité de conception.
13.2
CHEMISE
L’évolution du traitement de surface de l’aluminium a permis un gain en coût pour les constructeurs. Les premiers
moteurs en aluminium utilisaient des chemises en fonte qui étaient insérées dans le bloc généralement avec
serrage. Évidemment, cette opération nécessite plus d’usinage que pour un bloc en fonte où la préparation des
cylindres se limite à l’usinage de base. Ainsi, les cylindres en aluminium prennent de plus en plus de place dans les
moteurs d’origine. Lorsqu’on parle de modifications de moteur, cette solution employée par les constructeurs pose
rapidement des problèmes. Les cylindres en aluminium montrent une très bonne résistance à l’usure, mais bien des
manufacturiers de pistons vous recommanderont d’installer des chemises en fonte.
C’est qu’en pratique on peut retrouver différentes qualités de recouvrement des cylindres en aluminium. Les
traitements de base que l’on retrouve sur les moteurs de grandes séries ne sont aptes à prendre des charges
importantes générées par le piston et l’angle de la bielle. Des moteurs plus sophistiqués auront recourt à des
recouvrements d’alliage de nickel et de particules de carbure de silicium, communément appelé Nikasil (Nikasil est
une marque de commerce déposée). Ces recouvrements sont extrêmement durs et peuvent représenter la solution
ultime pour des applications très sévères. Il faut voir que ces recouvrements sont beaucoup plus durs que la fonte
ou l’acier. L’équipement pour aléser le revêtement de Nikasil est spécial et utilise des outils au diamant. Certaines
entreprises possèdent des techniques différentes qui conduisent à un résultat comparable comme Nika-Tech au
Québec. En cas de dommage au cylindre, il est possible de refaire recouvrir les cylindres. Normalement, on parle
d’une épaisseur de 0.010 pouce de Nikasil.
Les chemises de remplacement offertes sur le marché sont généralement en fonte ductile. La fonte ductile est une
fonte avec des propriétés mécaniques pouvant être très élevées. Toutefois, l’installation de chemise de fonte dans
un bloc en aluminium peut devenir un cauchemar. En effet, il n’est pas exceptionnel de voir des applications où les
cylindres de fonte se déplacent causant éventuellement la mort du joint de culasse. Les applications de course
d’accélération sont moins sujettes à ce problème, toutefois, en circuit routier, ça peut arriver plus fréquemment. J’ai
personnellement eu de mauvaises aventures avec des chemises Darton insérées dans un bloc en aluminium. Il faut
donc un centre d’usinage extrêmement compétent pour faire le travail. Il faut réaliser que la dilation thermique de
l’aluminium et de la fonte n’est pas la même. En ce sens, chaque cycle de réchauffement et de refroidissement crée
quelque chose… Lorsqu’il faut remplacer les chemises, cela peut devenir complexe dans la mesure où le travail
requis pour enlever les endommager n’est pas simple.
110
Figure 13-1, Chemises humides
On appelle chemise humide les chemises dont le liquide de refroidissement est en contact directement avec
l’extérieur de la chemise. Le remplacement des chemises humides est généralement extrêmement facile et ne
demande aucun outil particulier. Les chemises à sec sont quant à elle insérées avec serrage dans le bloc moteur et
leur diamètre extérieur est en contact avec le matériau d’origine du moteur.
La Figure 13-2 montre un bloc moteur Audi avec des chemises Darton. On peut remarquer que le haut des
chemises est conçu afin d’avoir une assise dans le haut du bloc. Cette opération ajoute de la stabilité au cylindre et
elle est recommandée pour les moteurs suralimentés. Certaines installations demandent de préchauffer le bloc et de
refroidir les cylindres, alors que d’autres montages se feront avec les pièces s’insérant sans serrage.
En gros, vous pouvez retenir que si vous fonctionnez avec les pistons d’origine, il n’y a généralement pas de
problème à fonctionner avec les cylindres en aluminium traité. Si vous changez les pistons afin d’augmenter la
performance de façon importante, vous devrez penser à installer des chemises ou idéalement à faire recouvrir vos
cylindres avec un produit tel que Nikasil. Si vous augmenter de beaucoup la puissance et que les cylindres ne sont
pas fermement retenus au bloc moteur, un ajout d’une bride en haut du cylindre peut s’avérer une solution la
bienvenue. Comme j’ai toujours eu des mésaventures avec tous mes projets, il faut faire attention avec les endroits
où ils font le traitement de Nikasil. En effet, lorsque l’on fait faire un moteur, les entreprises peuvent avoir le défaut
de trop nettoyer le moteur allant jusqu’à utiliser le jet de sable. Ainsi, vous obtenez un beau moteur pouvant contenir
du sable dans les passages d’huile… bonne chance pour l’enlever. J’ai aussi déjà expérimenté un cas où le placage
de Nikasil s’était décollé dans le haut d’un cylindre, mais supposément que j’étais le seul à qui cela était arrivé!
Figure 13-2, Moteur Audi avec chemises Darton (photo, courtoisie de Darton Sleeves)
13.3
ARCHITECTURE
L’architecture du bloc s’adapte à la conception générale du moteur. Mais au-delà des aspects généraux, on retrouve
néanmoins quelques caractéristiques spécifiques.
111
La méthode traditionnelle de supporter le vilebrequin dans le bloc moteur est d’utiliser des supports boulonnés à
même le bloc. Ces paliers de vilebrequin sont des pièces rapportées, normalement faites en acier même si le reste
du bloc moteur est en aluminium. La Figure 13-3 montre une configuration suivant cette méthode. Le support est
normalement retenu par 2 boulons, mais parfois on retrouve 4 boulons installés selon deux méthodes différentes. La
première méthode est d’avoir le support avec 4 boulons accessible par le bas du moteur, à la manière des 2
boulons usuels. La deuxième méthode retient toujours les 2 boulons traditionnels, alors que les 2 autres boulons
sont installés à 90 degrés des premiers, en étant accessibles via les côtés extérieurs du bloc moteur.
Plus rare, un peut trouver sur certains moteurs une pièce qui comprend tout le bas du bloc moteur fait d’une pièce.
La Figure 13-4 montre ce type d’arrangement. Cet arrangement demande plus de travail lorsqu’on désire enlever le
vilebrequin du bloc, mais représente une architecture procurant un maximum de rigidité. Notez que la grande
majorité des moteurs de motos sont conçus de cette façon.
Tous les moteurs possèdent un circuit d’huile interne qui permet d’acheminer l’huile aux paliers ainsi qu’à tous les
endroits nécessitant une lubrification hydraulique, ou une alimentation en huile pour des actions de toutes sortes.
Rappelons brièvement le chemin suivi par l’huile. L’huile est normalement emmagasinée dans le carter. Une pompe
aspire l’huile puis l’achemine vers le filtre à l’huile. L’huile sortant du filtre est acheminée dans la galerie principale.
De cette galerie, l’huile se dirige vers les paliers du vilebrequin et aussi vers la culasse. L’huile allant vers la culasse
passe normalement par au moins un trou de passage des boulons fixant la culasse sur le bloc. Dans la grande
majorité des cas, le moteur possède une galerie principale. C’est très rare, mais certains moteurs utilisent un réseau
de galeries qui n’est pas à même le bloc moteur, un exemple de cet arrangement inusité est en autre le moteur
Honda H22A. Dans ce cas, les cavités dans le bloc se limitent à la canalisation entre la pompe et le filtre, puis un
trou de passage entre le haut et le bas du moteur. Sur la Figure 13-4 (image de droite) il est possible d’apercevoir la
forme extérieure de la galerie principale le long du moteur. On peut aussi apercevoir des capuchons ajoutés lors de
la fabrication du moteur, ces capuchons cachent les trous de passage exécutés pour la lubrification des paliers du
vilebrequin. Lorsqu’on remet à neuf un moteur endommagé, il faut tenter de nettoyer au mieux ces galeries, dont
l’accès est réduit au minimum. Dans les faits, il est presque impossible de nettoyer un moteur en s’assurant qu’il n’y
a plus aucun débris dans les galeries.
Figure 13-3, Support de vilebrequin dans le bloc moteur
Figure 13-4, Bloc moteur en deux sections
On pourra trouver certains moteurs possédant des gicleurs d’huile acheminant celle-ci sous pression sous les
pistons. Il est parfois possible d’ajouter de tels gicleurs, mais cela demande normalement beaucoup de travail. Si
vous décidez de faire des galeries ou d’installer un circuit d’huile pour injecter de l’huile sous les pistons, il faut
s’assurer de prendre des gicleurs d’huile calibrés ne compromettant pas le débit aux endroits critiques. J’ai ajouté
112
une seule fois des galeries ainsi que des jets d’huile dans un moteur. Le moteur était un moteur Volkswagen de 2
litres refroidis à l’air (oui, je sais, ce n’est pas le super moteur, mais à 160 HP, ce n’était pas si mal). J’avais utilisé
des gicleurs d’huile qu’on trouve dans les moteurs de la moto GSX1100 1986-1989. Ces gicleurs étaient calibrés,
possédaient une longueur suffisante pour bien guider le jet, enfin, l’installation se faisait à l’intérieur d’un trou simple
à faire.
13.4
ARBRE D’ÉQUILIBRAGE
Certains moteurs utilisent des arbres d’équilibrages installés dans le bloc afin d’en diminuer ses vibrations externes.
Ces arbres sont utilisés principalement pour balancer les forces de déséquilibrage secondaire. L’arbre assurant
l’équilibrage secondaire se distingue par le fait qu’il tourne deux fois plus rapidement que le vilebrequin. On
retrouvera parfois un arbre balançant les forces primaires et dans ce cas l’arbre tournera à la même vitesse que le
vilebrequin.
Dans tous les cas, il est important de bien synchroniser la position des arbres d’équilibrage en suivant les
indications du manufacturier. Bien synchronisés, ces arbres réduisent les vibrations, mais s’ils sont installés à leur
position opposée, les vibrations deviendront 2 fois plus importantes que les forces qu’ils tentent d’atténuer.
Le chapitre dédié à l’équilibrage donne davantage d’information au sujet de la fonction de ces arbres.
13.5
VENTILATION
Un moteur respire au niveau du bloc moteur. Cette respiration est causée par deux phénomènes distincts : la
variation de volume dans la base liée au mouvement des pistons; puis les fuites des segments de piston.
Pour la respiration due au mouvement des pistons, prenons le cas le plus simple, soit un moteur monocylindre. Si le
moteur a une cylindrée de 500 cc, le bloc moteur verra donc son volume varié de 500 cc en cours d’un tour. Ce
phénomène est toujours existant (mais je n’ai pas vérifié pour chaque configuration de moteur), créant un débit d’air
qui sort et entre à la manière de nos poumons. C’est donc absolument normal de voir un débit d’air dans le tuyau de
ventilation de la base du moteur, qui se trouve généralement sur les couverts de culasse.
Les fuites au niveau des segments sont d’un autre ordre, idéalement ces fuites seraient les plus faibles possible. Le
manque d’étanchéité des segments permet le passage de l’air de la chambre de combustion vers le bloc moteur.
Dans ce cas, le débit d’air est toujours sortant.
La combinaison des deux fuites crée un débit d’air sortant.
Ce débit d’air risque fortement d’entraîner avec lui l’huile à l’état pulvérisé dans le bloc moteur. Plus le débit est
important et plus le risque d’entraîner de l’huile devient lui aussi important. Évidemment, lorsqu’on roule, on ne
désire pas que de l’huile se retrouve dans l’air à l’arrière de la voiture, il faut donc séparer l’huile et l’air. Il faut noter
que les moteurs d’origines sont toujours prévus pour retourner cet air riche en huile vers l’entrée du moteur, soit en
amont du papillon d’admission. Les voitures de course sont généralement prévues pour que la ventilation du moteur
soit faite carrément vers l’atmosphère.
La séparation de l’huile et l’air se fait relativement simplement. C’est la vitesse de l’air qui entraîne l’huile, et on peut
dire que cette vitesse de l’air empêche l’huile de se décanter. La solution réside à réduire la vitesse de l’air
suffisamment et de mettre des barrières sur lequel l’huile s’agrippera afin de créer la séparation.
Certains moteurs possèdent des couverts de culasse très sophistiqués ayant un réseau de galeries pour permettre
la séparation de l’huile. D’autres moteurs ont moins de chance et vous devrez ainsi développer une solution. Dans
certains moteurs, lorsque vous installez des culbuteurs de performance, il peut être nécessaire d’enlever les
plaques dans les couvercles de culasse servant à séparer l’huile de l’air.
Les moteurs de courses ont bien souvent un réservoir de récupération de l’huile ventilé à l’atmosphère. Un boyau
relie le couvercle de culasse au réservoir de récupération. Ce réservoir étant assez grand, la décantation devient
possible. En pratique, c’est assez efficace, mais il peut néanmoins arriver que de l’huile s’échappe et se retrouve à
l’arrière de l’auto. De plus, si votre moteur a un sérieux problème d’acheminement d’huile vers le réservoir de
récupération, c’est aussi dire qu’en course, votre niveau d’huile diminuera à mesure que vous roulez. À chaque fin
de session, vous devez vider le réservoir et remettre de l’huile dans votre moteur.
On voit rarement la solution suivante sur les voitures, mais les gros moteurs industriels utilisent souvent un réservoir
de décantation dont la ventilation du moteur entre d’un côté, avec une ventilation à l’air libre de l’autre côté (ou peut
113
être branché en amont du papillon d’admission. Un filtre non absorbant (comme on retrouve parfois dans les
réservoirs d’essence de compétition pour diminuer la vitesse de déplacement du carburant d’un côté à l’autre)
sépare ces deux ouvertures. Le filtre permet à l’huile de s’agripper sur une surface aidant la décantation. Enfin, un
troisième tube se retrouve dans le bas du réservoir, qui retourne l’huile dans le bloc moteur. Ces systèmes sont
rarement proposés, mais sont extrêmement faciles à concevoir soi-même avec des tubes d’ABS ou d’aluminium.
Si vous n’avez pas de problème avec la configuration d’origine, c’est bien de demeurer avec elle, c’est la solution la
plus environnementale. Si vous décidez de ventiler votre moteur à l’air libre, l’option d’un réservoir de récupération
est très bien. La solution avec réservoir de décantation avec retour de l’huile dans le bloc est la solution ultime.
J’ai déjà vu des pièces vendues s’installant sur les couvercles de culasse joliment fabriquée, mais d’aucune
efficacité. Prenez gare aux gadgets.
13.6 NETTOYAGE
Cela peut avoir l’air banal, mais il est important de s’assurer que toutes les galeries de lubrification à l’intérieur du
bloc moteur soient le plus propre possible. J’irai même jusqu’à dire que ce qui m’inquiète le plus de reconditionner
un moteur suite à un bris d’un coussinet est justement la notion de nettoyage. Il est à parier que quelque part dans
le moteur il reste encore un débris fin de métal. Ce petit intrus finira par sortir de sa cachette et passera
éventuellement pas un palier de vilebrequin. Et c’est là que les problèmes peuvent dégénérés.
Da façon paranoïaque, j’ai tendance à faire démarrer le moteur, de faire une purge d’huile toute de suite après. Si
les doutes sont importants, c’est peut être censé de faire une inspection des coussinets de bielle question de
s’assurer qu’il n’y avait pas d’intrus.
Si quelqu’un a eu la mauvaise idée de passer le moteur au nettoyage au sable, alors vous avez un gros problème.
Le sable peut s’insérer dans bien des galeries. J’ai eu à faire face à ça pour des moteurs arrivant de centre
d’usinage.
114
14
COUSSINET
Les coussinets jouent le même rôle que des roulements en utilisant un film d’huile au lieu de billes ou de rouleaux
pour permettre la rotation. Dans les moteurs, les coussinets sont utilisés pour soutenir le vilebrequin dans le bloc
moteur, les bielles sur le vilebrequin et parfois pour l’arbre à cames dans le bloc moteur ou la culasse. L’enjeu de
cette pièce est très important et son développement a suivi l’évolution de l’huile à moteur. Tout d’abord, la charge
est prise par le film d’huile compris dans le jeu du coussinet, alors que la charge est fonction de la surface du piston.
Cela équivaut à dire qu’un palier subit une plus grande charge lorsque le diamètre du piston est plus grand. Ensuite,
la vitesse tangentielle (la vitesse en surface du palier) à la surface du palier est critique, un moteur tournant plus
rapidement commande des paliers de plus petits diamètres. Ces 2 critères s’opposent dans la mesure où un moteur
à course courte aura des pistons plus gros et tournera plus rapidement qu’un moteur à course longue de même
cylindré, ce qui augmente la charge de cisaillement de l’huile. Toutefois, la charge portante d’un coussinet
augmente de capacité lorsque le palier tourne plus rapidement, créant un film d’huile plus épais. Le cas des moteurs
de moto est un bon exemple, un moteur de Suzuki Hayabusa 2009 possède un alésage de 81 mm et une course de
65 mm. Prenons maintenant un moteur d’automobile Toyota 2ZZ dont l’alésage est de 82 mm et la course de 85
mm. On voit ainsi que les alésages sont similaires, alors que le moteur de la moto tourne beaucoup plus
rapidement. Les deux moteurs ont une charge similaire sur les paliers, alors que ces derniers possèdent un
diamètre nettement plus petit sur la moto. Un moteur de production d’il y a 50 ans aurait difficilement pu tourner
aussi rapidement avec l’huile, les coussinets ainsi que les tolérances d’usinage de l’époque.
Figure 14-1, Coussinet de bielle
Les avantages des coussinets par rapport aux roulements sont multiples, et en voici quelques-uns :
-
vie infinie si les charges ne dépassent pas un seuil critique, le film d’huile agit comme élément porteur,
c’est l’huile qui prend l’usure;
très compactes, les épaisseurs se limitent à 1 à 3 mm;
économique, un ensemble coussinet se limite à 1 ou 2 pièces;
installation aisée, un coussinet peut être fait de 2 pièces qui s’installent sur un vilebrequin fabriqué en
une seule pièce;
distribution de la charge sur une surface importante, permettant d’utiliser un vilebrequin et un bloc moteur
ayant un matériau avec une surface relativement molle.
Les coussinets présentent aussi certains inconvénients, une friction plus élevée que des roulements, la nécessité
d’être alimenté en huile par une pompe (bien que certains petits moteurs comme les souffleuses à neige en soient
dépourvus; les bielles sont alimentées par une cuillère battant dans l’huile), puis finalement, la charge de seuil ne
doit pas être dépassée. Certains moteurs de course d’accélération ayant des puissances extravagantes utilisent des
roulements. Les roulements peuvent prendre momentanément des charges plus importantes, mais leurs vies sont
toujours limitées. Bien que ce soit l’huile qui a la tâche la plus difficile, il n’en demeure pas moins que la pression
hydraulique créée sur le coussinet peut entrainer une fatigue du matériau de recouvrement.
La vitesse des coussinets d’une bielle n’est pas la même que le vilebrequin. La Figure 14-2 montre un cas pour une
bielle de 138mm et une course de 82mm. On voit que la vitesse n’est pas constante en variant continuellement. La
position « 0° » représente le point mort haut alors que 180° représente le point mort bas.
115
Figure 14-2, RPM du coussinet de bielle
14.1
BRIS DES COUSSINETS
Dans le domaine des moteurs modifiés, les coussinets deviennent un élément clé pour ce qui est de la fiabilité. En
course, l’huile devient très chaude et perd de sa viscosité, les charges sont importantes ainsi que les vitesses de
rotation. Des moteurs que j’ai détruits, les coussinets ont représenté la principale cause de bris (sauf le cas des
moteurs Toyota 2ZZ qui brisent au niveau de la culasse).
C’est donc une pièce extrêmement simple, mais dont la survie tient à plusieurs critères. Les principales causes de
défaillance sont :
-
bris du film d’huile;
fatigue du matériau de recouvrement;
usure du matériau de recouvrement;
usure du vilebrequin;
huile contaminée.
Le bris du film d’huile peut être causé par diverses causes :
-
charge trop importante;
déformation des composantes telles que la base de la bielle;
déformation permanente des demi-lunes.
L’huile contaminée peut être une source de problème en acheminant des débris de métal dans le film d’huile. Si
votre moteur est frais remis à neuf suite à des bris de paliers, vous êtes à risque. Il n’y a rien de pire que de remettre
en marche un moteur abimé. Il est extrêmement difficile de s’assurer que le moteur soit entièrement propre à
l’intérieur des galeries de lubrification. Dans le doute, après avoir fait tourner le moteur, changer les coussinets de
nouveau ainsi que l’huile.
Une charge très importante peut causer un contact métal à métal entre le vilebrequin et le coussinet. Cette cause
n’est normalement pas une cause de problème dans la mesure où l’huile fait son travail et est acheminée avec
succès. Toutefois, un jeu trop grand entre le coussinet et le vilebrequin diminue la capacité portante de l’huile.
La déformation des composantes telle qu’une bielle peut causer le bris du film d’huile. Lorsque la bielle est en
tension, c’est-à-dire lorsque le piston redescend suite au temps d’échappement, le capuchon de la bielle se déforme
causant une réduction du jeu latéral. Si la bielle se déforme de façon importante, le film d’huile peut se briser. C’est
la principale raison pour opter pour des bielles plus robustes et rigides lorsqu’on compte augmenter le régime
maximal du moteur.
116
Plus embêtant encore, et j’avoue n’avoir jamais rien vu dans la littérature qui parle de cette observation, mais avec
le temps, le coussinet peut naturellement devenir déformé en permanence. Dans les faits, lorsqu’on installe un
coussinet fait de 2 demi-lunes, il faut le presser dans sa cavité en le déformant élastiquement, une déformation tout
à fait normale. Toutefois, il arrive qu’en démontant le moteur, cette précharge ait complètement disparue, voir même
que le coussinet serre le vilebrequin. Si vous voyez cela et que le vilebrequin n’est pas encore abimé, vous devez
vous considérer comme chanceux. La chance a souvent été de mon côté. Je suspecte que c’est l’effet de
martèlement qu’exerce le vilebrequin sur le coussinet qui crée cette déformation. Si vous prenez un marteau en
frappant sur une barre de métal, sa déformation sera telle que la barre fera une banane avec les extrémités vers le
haut. On se retrouve donc avec un phénomène de fatigue de la structure principale en acier. J’ai déjà eu un moteur
où je devais changer les coussinets de bielle aux 5 heures environ de façon préventive. Mes moteurs de moto aux
débuts des années 90 demandaient de les changer à chaque année, et ce n’était pas un luxe. Il est toujours
beaucoup plus économique de faire de l’entretien préventif que de briser un moteur.
Normal
Déformé
Figure 14-3, Coussinet normal et déformé
Il y a bien d’autres causes de bris, le mieux est de se référer à la documentation disponible des manufacturiers de
coussinet comme Clevite dont la documentation est très complète.
14.2
TYPE DE COUSSINETS
Les coussinets sont normalement faits de couches successives de différents métaux, bien souvent deux mais
parfois trois.
Lorsqu’il y a deux couches, la structure principale est en acier (généralement en acier non traité) alors que le
revêtement de l’ordre de 0.25mm est de nos jours fait d’un mélange à fort pourcentage en aluminium. Il y a bien
entendu différentes recettes pour cette couche, mais on peut s’attendre à retrouver du plomb ainsi que de la silice
(du sable quoi!). Le plomb (6 à 20%) agit comme un lubrifiant solide en cas de contact avec le vilebrequin. La silice
(2 à 6%) est quant à lui présent en très fines particules qui permettent de polir le vilebrequin en cas de contact.
Certains fournisseurs de pièces de performance ajoutent sur des coussinets standards un plaquage d’environ
0.006mm à base de molybdène ou autre qui permet d’augmenter le niveau de sécurité en cas de contact avec le
vilebrequin. Le principal défaut avec ces revêtements est que lorsque c’est ajouté par le distributeur, on se retrouve
à diminuer le jeu de montage. Vous comprenez qu’il y a beaucoup de solutions pour améliorer le contact du
coussinet avec le vilebrequin alors que ce dernier ne devrait même pas toucher. Mais c’est certain que la première
fois que l’on démarre un moteur, il y a un grand risque de contact. Ensuite, en fonctionnement, les jeux deviennent
extrêmement faibles comme on le verra plus loin. Les jeux étant extrêmement faibles, si le vilebrequin n’est pas
100% concentrique et le bloc moteur aussi, le risque de contact devient alors plus probable. L’épaisseur du film
d’huile (à ne pas confondre avec le jeu de montage) peut être de l’ordre de 0.0002 pouce.
Lorsque le coussinet est fait de trois couches, la première couche (très mince) sert de palier pouvant subir des
contacts avec un minimum d’huile, en offrant une friction minimale. Le matériau agit comme lubrifiant naturel. La
deuxième couche est généralement faite de cuivre. Le cuivre est un métal relativement mou capable de tolérer un
contact avec un minimum d’huile, mais généralement, le matériau ne devrait jamais entrer en contact avec le
vilebrequin. Si cela arrive, la vie de votre moteur arrive à sa fin. Enfin, le troisième métal représente la structure du
coussinet, généralement en acier.
Au-delà de la stratégie du bimétal ou trimétal, je préfère avoir la structure principale en acier durcit. Il y a plus de
chance de trouver des coussinets trimétal en acier durcit alors que la famille des bimétals inclut des coussinets
allant de piètes à hautes qualités. Mais dans ce dernier cas, prenez pour acquis que l’acier ne sera pas durcit. Mais
j’ai déjà vu des ACL Australie qui étaient durcis, ça se remarque par la couleur de l’acier.
117
Les coussinets de bielle sont généralement fabriqués sans passage d’huile, alors que ceux de portée du vilebrequin
en sont généralement pourvus. Il se peut par ailleurs que le vilebrequin utilise une moitié de palier avec passage
d’huile, alors que l’autre moitié est lisse.
Certains moteurs comme les anciens moteurs de VW Coccinelle utilisaient des coussinets d’épaisseur importante
en une pièce aux extrémités du vilebrequin.
Les coussinets sont des éléments de grandes précisions. Mais il faut faire de plus attention de nos jours avec les
productions de pièces en Chine. Au moment d’écrire ces lignes, j’ai rencontré pour la première fois de ma vie un
réel problème de qualité au niveau des dimensions. Les coussinets étaient des ACL issue de la distribution
américaine. ACL est une entreprise Australienne et la branche américaine est depuis peu une entreprise à part
entière dont la production semble se faire en Chine. C’est la réponse que j’ai eu de la maison mère en Australie.
Les coussinets les plus sollicités sont ceux des bielles. Le coussinet du maneton voit la charge complète, alors que
la charge se divise normalement sur deux coussinets au niveau des tourillons.
Pour contrer la déformation des bielles en extensions, les coussinets sont souvent fabriqués avec une épaisseur
non constante et plus mince au niveau de la jonction. C’est ce qu’on appelle l’excentricité.
Les coussinets tels que les Clevite 77 dans les nuances H représentent un bon point de départ dans le choix de
coussinets de performance. Ils possèdent un niveau moyen d’excentricité demandant toutefois une bielle rigide au
niveau du capuchon. Ces coussinets possèdent une base en acier durcie pour diminuer leurs déformations
permanentes. Il est difficile de faire une liste complète de manufacturier qui offre des coussinets de performance,
mais on peut citer Clevite, ACL, King, Vandervell (Mahle), etc.
Personnellement, j’essaie d’installer des coussinets de performance sur les bielles. Pour les tourillons du
vilebrequin, le risque de problème est beaucoup plus faible, lorsque le moteur demande des coussinets compensant
les tolérances d’usinage (toujours sur les motos, mais pas toujours sur les autos), j’ai tendance à conserver les
coussinets d’origine. De cette façon, je m’assure que le vilebrequin tourne dans des jeux très faibles. C’est très rare
qu’un moteur brise sur les tourillons, mais cela peut arriver. De toute façon, pour les moteurs de moto, malgré les
recherches que j’ai faits, je n’ai pas trouvé de coussinets autres que d’origines.
Si vous le pouvez et que vous sollicitez beaucoup votre moteur, il est préférable de changer les coussinets de bielle
en mode prévention de façon régulière. Si vous n’observez pas de déformation ou d’usure anormale, vous pouvez
espacer les remplacements.
Il est aussi à noter qu’il est possible que vous soyez condamné à utiliser des coussinets de qualités d’origine (qui
sont particulièrement précis avec des gammes de précisions) ou moindres. Certains moteurs ne reçoivent pas une
grande attention des fabricants de coussinets, alors que pour d’autres moteurs le choix sera tout simplement
étonnant. Les moteurs V8 américains ainsi que les moteurs Honda se voient offrir une gamme de produits
performants. Bonne chance si vous décidez de préparer un moteur moins populaire, et ça devient vraiment
emmerdant avec les vieux moteurs. Il est parfois possible de trouver des coussinets aux bonnes dimensions, et pour
les installer, il se peut que vous deviez modifier les barrures de coussinet, ou préférablement, modifier la bielle au
niveau de la gorge recevant la barrure.
14.3
MONTAGE
J’avoue que je suis paranoïaque. J’ai brisé vraiment beaucoup de moteurs (moteur motos et autos) au niveau des
coussinets dans le passé, mais jamais avec mon moteur Toyota 2ZZ (pas directement du moins, mais une pompe
brisée entraine un bris des coussinets indirectement). Et ici je ne parle pas de mon frère… ouf!!! Certains moteurs
sont mal née, disons le directement, comme le cas des moteurs V8 Rover dont l’épaisseur de la paroi de bielle
autour du maneton est ridicule. D’autres sont par contre très solide d’origine comme le cas des bielles Toyota des
moteurs 2ZZ. Et à un certain point, il devient parfois difficile de comprendre pourquoi un moteur « saute » et un
autre non. Des moteurs reconditionnés que j’ai faits, j’avoue avoir eu un succès mitigé. Lorsque je dis reconditionné,
je sous-entends avec vilebrequin reconditionné. Si je reviens encore à mon moteur Toyota, je n’ai jamais installé un
vilebrequin reconditionné, toujours un neuf (ils ne sont pas très dispendieux). Je lisais l’autre jour que le
reconditionnement d’un vilebrequin, en plus de demander un usinage précis, demande un polissage très spécifique
dans le sens contraire de l’usinage. Tant qu’à être dans les aveux, j’avoue que je ne fais pas confiance aux centres
de reconditionnement de moteur lorsque l’on parle « haute performance ». Ils vont toujours dire qu’ils n’ont jamais
eu de problème. C’est certain, même si c’était le cas, il n’en saurait rien. J’ai toujours eu plus de fiabilité avec un
vilebrequin d’origine non reconditionné que refait, et j’ai l’impression que c’est typique de ce que je vois autour de
moi. J’ai de la difficulté à voir comment un petit centre d’usinage de coin de rue arrive à atteindre des super
118
tolérances avec un soin hyper contrôlé. Il s’agit de trouver « LE » centre d’usinage de confiance, et ça existe
sûrement, et dans mon cas j’utilise Toyota!
D’origine, certains moteurs se voient équipés de coussinets dont les épaisseurs s’harmonise avec les tolérances de
fabrication du bloc moteur et du vilebrequin. Dans ces cas, on peut retrouver une série de code sur le bloc ainsi que
sur le vilebrequin, et en fonction des dimensions, on utilise un coussinet spécifique. Lorsque l’on installe des
coussinets de performance ou de rechange qui ne sont pas d’origine, l’option de la calibration précise comme à
l’origine n’est pas possible. Ainsi, il est important de vérifier les jeux avec des plastigauges.
Parfois, on peut gagner à mesurer l’épaisseur des coussinets pour devancer les mesures qui sont prises par la suite
avec les plastigauges, ou encore pour tenter de faire des ajustements en sélectionnant les coussinets en fonction
des endroits à être installé. On ne mesure pas un coussinet comme on mesure une clôture de maison. Ici, on a
affaire à des composantes extrêmement précises. Il faut donc avoir dans un premier temps un instrument de
mesure précis pouvant s’adapter avec le fait qu’un coussinet est de forme arrondi. Ainsi, pas question d’utiliser un
pied à coulisse, il faut un micromètre de précision avec au moins un embout sphérique (ball micrometer) pour
reposer du côté courbé intérieur du coussinet. Compte tenu de la précision de mesure désirée, les coussinets ainsi
que le micromètre doivent être à la même température et normalement à 20 degrés C. Lorsque l’on prend dans nos
mains le micromètre, il faut le tenir de façon à ne pas affecter sa température.
On verra parfois certains préparateurs de moteurs qui augmentent le jeu entre les coussinets et le vilebrequin. Cela
peut réduire légèrement la friction, donne plus de place à la déformation des composantes, puis laisse passer plus
d’huile. L’huile en passant dans le coussinet prend beaucoup de charges ce qui se traduit par une augmentation de
température. Lorsque le moteur tourne à plein régime, l’augmentation de température de l’huile devient plus
importante. Le passage d’un débit plus important permet alors de diminuer l’augmentation de température. Par
contre, avec un jeu des coussinets plus grand, le niveau de vibration du moteur peut augmenter, la capacité de
charge diminue, puis la consommation d’huile plus grande peut faire diminuer la pression d’huile du moteur, ce qui
réduit l’apport en huile aux autres composantes du moteur. Cela dit, il faut se rabattre sur l’expérience et les
conseils de personnes spécialisées avec votre moteur. On parle bien souvent d’un jeu de .001 pouce par pouce de
diamètre. Ainsi, un tourillon de 2 pouces peut avoir un jeu de 2x.001 = .002 pouce. On peut imaginer des jeux plus
importants, voir .0005 pour un moteur de course. Si l’on augmente le jeu aux tourillons sans toucher les manetons,
cela peut se traduire par une lubrification moins efficace des coussinets de bielle, ce qui n’est vraiment pas
souhaitable. Le fait d’augmenter le jeu peut aider l’huile à moins subir du cisaillement (qui fracture les molécules en
les rendant plus courtes). Par contre, si l’huile tient le coup, il n’y a pas d’avantage à diminuer son cisaillement. Si le
fait d’augmenter le jeu demande d’utiliser une huile avec un indice de viscosité plus élevé, on consommera plus de
puissance ou au pire, cela ne changera pas grand-chose. Comme vous voyez, je ne me positionne pas beaucoup.
Les moteurs modernes ont des jeux extrêmement faibles de l’ordre de moins de .001 pouce et n’ont jamais été
aussi robuste à ce niveau. Il faut aussi faire attention à l’expérience passé alors que les moteurs étaient en fonte de
fer, les blocs en aluminium commande un jeu plus faible car l’expansion thermique fait en sorte d’augmenter le jeu à
chaud. Pour les coussinets de performance, il est parfois possible de se procurer des coussinets avec un jeu
supplémentaire de .001 pouce, ce qui est beaucoup. Ainsi, généralement, peu importe la marque de coussinet, on
ajoute un X à la fin du numéro. On peut donc se retrouver avec un numéro comme 5M1857HX.
Dans le monde de la moto, on installe généralement des coussinets d’origine qui sont offerts en plusieurs
épaisseurs compensant les tolérances de fabrication. Ainsi, si le manufacturier nous recommande de prendre des
coussinets d’épaisseur B (ou noir ou peu importe), afin d’augmenter le jeu de montage, certains préparateurs vont
prendre un coussinet d’un calibre plus mince, par exemple A (ou vert ou peu importe). Notons que cela fait
augmenter le jeu de montage, mais d’une faible valeur de l’ordre de 0.0002 pouce.
Figure 14-4, Mesure de l’épaisseur de coussinet avec un micromètre
119
Figure 14-5, Résultats de mesure de coussinets conformes et non-conformes
Figure 14-6, Plastigauge de 0.001 à 0.003 de pouce
Le texte qui suit est basé sur quelques calculs théoriques de coussinet. Le calcul de capacité en charge d’un
coussinet est relativement complexe et demande de connaître plusieurs paramètres comme la charge exacte
appliquée. Dans un moteur, la charge varie en fonction de l’expansion des gaz dans la chambre de combustion
après l’ignition. Grosso modo, on se retrouve à avoir un nombre caractéristique du coussinet « S » :
 r  N
S  
c P
2
Où :
r = rayon du coussinet, son diamètre divisé par 2
c = le jeu de montage sur le rayon, le jeu total divisé par 2
 = la viscosité de l’huile selon l’unité reyn = viscosité cP / 6 890 000
N = la vitesse de rotation du moteur en tour par seconde = RPM / 60
P = la charge en livre
Plus S est grand et plus la capacité de charge est grande. Plus S est petit et moins il y a de la friction. Lorsqu’il s’agit
de voir la capacité d’un coussinet sur un moteur existant, les paramètres que l’on peut varier sont c,  (par le choix
de viscosité de l’huile), le régime de moteur N, et enfin la charge P. On moteur suralimenté fait augmenter P ce qui
se traduit par un « S » plus petit, donc plus sujet à être surchargé. Le régime du moteur varie continuellement. Plus
le moteur tourne rapidement et plus la capacité de charge devient importante, ce qui est logique car plus la vitesse
est importante et plus le phénomène d’aquaplaning est important. Plus l’huile possède une viscosité élevée et plus
le coussinet est apte à prendre de la charge, en autant que le débit d’huile est important pour la renouveler sinon la
température de l’huile augmentera trop. Et évidemment, on retrouve dans l’équation le jeu de coussinet « c ». Il faut
remarquer que cette variable est au carré, un faible changement du jeu de montage entraine une variation
importante de « S ».
120
Lorsqu’un moteur tourne et que le coussinet est sous charge, la portée du vilebrequin n’est pas concentrique avec le
coussinet. En effet, le film d’huile n’est pas constant sur le pourtour et le film d’huile résultant devient beaucoup plus
mince que « c ».
Les calculs que j’ai fait (basé sur des paramètres arbitraires) tente à montrer ce qui suit :
L’augmentation du jeu de montage « c » fait en sorte :
D’augmenter la pression sur le film d’huile (.001 pouvant faire augmenter la pression de 30%)
De diminuer la friction de roulement (.001 pouvant réduire la friction de l’ordre de 35%)
De demander un débit plus important (.001 pouvant conduire vers le double de débit)
De réduire les contraintes thermiques sur l’huile
L’augmentation de la viscosité fait en sorte (calculs faits pour de l’huile 15W40 à 20W50 à 100°C):
De réduire la pression sur le film d’huile (de l’ordre de 8%)
D’augmenter la friction de roulement (de l’ordre de 10%)
D’augmenter les contraintes thermiques sur l’huile
Certains diront que ces interprétations peuvent être étonnantes, mais elles me semblent logiques. Au niveau du film
d’huile minimal, ça devient un peu plus complexe.
Sur les bielles, le fait d’augmenter le jeu de montage peut conduire à une augmentation du jeu minimal où le film
d’huile devient beaucoup plus faible que le jeu de montage. Mais cela n’est pas une garantie, et pas forcément à
tous les régimes. À la limite, dans certains cas, un jeu de montage plus important peut même conduire à un film
d’huile plus mince. Mais le gain peut être réel car la charge est importante alors que seul un coussinet prend la
charge. La pression d’appui (de l’ordre de 2000 psi, voir plus) dans l’huile associé au fait que le cisaillement y est
important cause un échauffement important de l’huile pouvant la dégrader de façon importante.
Comme décrit auparavant, le fait d’augmenter le jeu au niveau du vilebrequin devrait se faire uniquement si on
augmente le jeu au niveau des bielles. Il faut s’assurer que la lubrification des bielles soit optimale. Je ne suis pas
convaincu du bienfait d’augmenter le jeu au niveau du vilebrequin. On ne veut pas que tout le vilebrequin se déplace
trop. L’épaisseur du film d’huile demeure plus constante que pour les bielles dans la mesure où il y a normalement
au moins deux tourillons qui prennent la charge, cela si l’on considère que le vilebrequin est flexible. Mais plus de
deux coussinets si on le considère rigide. Si l’huile est apte à prendre le travail au niveau de la bielle, elle n’aura
aucun problème au niveau des tourillons. On peut gagner un peu de puissance. La friction est directement
proportionnelle à la viscosité et inversement proportionnelle au jeu de montage. Le fait de prendre par exemple de
l’huile 20W50 au lieu de 15W40 peut conduire à une augmentation de friction de l’ordre de 20%. Le fait de passer
d’un jeu de montage (mesuré sur le rayon, donc le jeu total divisé par deux) de 0.0005 à .001 pouce conduit à
couper la friction d’un rapport de deux.
Finalement, il n’y a rien de mieux que d’utiliser l’expérience de ceux qui ont l’habitude de travailler avec votre type
de moteur. Mais c’est à prendre avec modération. Si vous faites de la course, on peut avoir avantage à chercher ses
petits « HP » au détriment de la fiabilité, et ici je pense beaucoup aux moteurs de moto. Par contre, en automobile,
où l’on augmente déjà de façon importante la puissance par rapport aux moteurs d’origine, les jeux d’origines
permettent des capacités de charges maximales mais demandent une huile pouvant subir ces contraintes élevées
en cisaillement et thermiquement. En endurance, on pourrait être tenté d’augmenter les jeux et de prendre une huile
avec une viscosité plus élevée, le tout en utilisant une plus grosse pompe à l’huile pour s’accommoder de cela.
121
15
ÉQUILIBRAGE
J’ai décidé d’aborder l’équilibrage dans un chapitre spécifiquement dédié à ce sujet. L’équilibrage est l’action
d’équilibrer les masses pour réduire les contraintes internes dans le moteur ainsi que la vibration globale. Dans
certains cas, différentes pièces doivent être balancées ensemble comme un tout.
Figure 15-1, Vilebrequin 1 cylindre non balancé
Figure 15-2, Vilebrequin 2 cylindres non balancé
L’équilibrage touche deux différentes fonctions. Prenez une corde avec une masse à son extrémité et faites-la
tourner avec votre main. En tournant, vous devez fournir un effort pour maintenir votre main à sa position d’origine.
Si vous prenez un moteur à un cylindre (Figure 15-1) et vous le faites tourner rapidement sans aucune attention
spéciale à l’équilibrage, le vilebrequin sera toujours appuyé sur la même surface au niveau des tourillons.
Maintenant, prenons le vilebrequin de la Figure 15-2, ce dernier peut être considéré comme étant balancé lorsqu’il
est à l’arrêt. Toutefois, en le faisant tourner sur lui-même très rapidement il agira comme deux vilebrequins de
l’exemple précédant. On se retrouvera avec le tourillon de gauche appuyant toujours sur la même surface, le droit
sur une autre surface située à l’opposé. Qu’arrive-t-il au tourillon du centre? En théorie, il ne participera pas. Ce fait
n’est pas souhaitable du point de vue de l’effort sur le vilebrequin.
Ce qu’on souhaite idéalement en balançant une pièce est qu’elle n’est pas tendance à toujours s’appuyer du même
côté des coussinets, mais qu’elle soit flottante au centre, s’appuyant parfois d’un coté puis de l’autre en fonction de
la charge et du mouvement des masses alternatives.
Je comprends que ce n’est pas simple à comprendre à la seule lecture, il faut assurément faire un effort pour en
avoir une image claire.
Un moteur comprend des pièces qui tournent sur elle-même (masses tournantes) et des pièces qui ont un
mouvement alternatif (masses alternatives) tel que les pistons.
15.1
ÉQUILIBRAGE DES PISTONS ET DES BIELLES
Les ensembles piston – bielle doivent être balancés ensemble, et ici, il faut bien comprendre que nous avons en jeu
des masses tournantes ainsi que des masses alternatives.
Figure 15-3, Masse d’une bielle
122
On considère donc la bielle comme un élément qui a un effet double, possédant une masse tournante et aussi une
masse alternative. La Figure 15-3 montre clairement la distribution de la masse de la bielle entre la masse tournante
et la masse alternative.
Idéalement, dans votre moteur, toutes les bielles auraient la même masse tournante. Pour atteindre ce but, il faut
peser la masse tournante de chacune des bielles en retenant avec soin et constance le bout de la masse
alternative. On peut utiliser l’axe de piston comme appui. J’utilise normalement une petite balance électronique de
précision (.1 g), puis j’installe une petite lame de métal dans la séparation de la bielle. La plus légère devient la
référence, il faut ensuite enlever du matériel sur les bielles plus lourdes à des endroits sécuritaires et sans influencer
autant que possible la masse alternative. À la fin, toutes les bielles auront la même masse tournante.
Ensuite il faut balancer la partie alternative. Ici c’est à la fois simple et compliqué. La masse totale alternative inclut
la masse du piston, des segments, de l’axe de piston et évidemment la masse alternative de la bielle. Du fait que
toutes les bielles ont le même poids pour ce qui est de la masse tournante, on peut donc prendre le poids total
piston, axe, segment, bielle, puis ajuster le poids total en enlevant tout simplement du poids sur les pistons.
Toutefois, si la différence est importante, vous serez obligé d’enlever du matériel directement sur la bielle, mais vous
constaterez que votre travail risque d’influencer le travail que vous avez fait sur la masse tournante des bielles.
15.2
ÉQUILIBRAGE DU VILEBREQUIN
L’équilibrage du vilebrequin se divise en deux segments bien différents, soit le segment où on peut changer quelque
chose, puis le segment où on a peu d’action.
Le segment où on n’a aucun pouvoir est l’équilibrage interne au vilebrequin qui est fonction de la conception ellemême du vilebrequin. La conception du vilebrequin peut avoir prévu des contrepoids sur le vilebrequin pour contrer
la masse rotative et alternative de l’ensemble piston-bielle, et aussi pour balancer le poids des manetons. Si l’on
regarde de nouveau la Figure 15-2, le vilebrequin n’a aucun contrepoids. Maintenant si l’on revient au vilebrequin de
la Figure 12-4, on aperçoit clairement les contrepoids. Lorsqu’on fait équilibrer un vilebrequin, personne n’ajuste ces
poids. Sur un vilebrequin modifié avec coupe des bordures (Figure 12-6), on influence négativement cet équilibrage
interne du vilebrequin. Lorsqu’on fait balancer un vilebrequin, l’opération ajuste le poids du vilebrequin afin de
diminuer la vibration de votre moteur dans son ensemble, mais n’a pas ou peu d’effet sur les contraintes internes du
vilebrequin.
Comme nous avons vu dans la section 15.1, l’ensemble piston-bielle possède une masse rotative et une masse
alternative. La masse rotative peut être considérée comme fixée sur le vilebrequin, et s’ajoute à la masse du
maneton. La masse alternative quant à elle provoque parfois une réaction vers le haut, puis parfois vers le bas en
fonction de la position du vilebrequin dans son cycle. Les systèmes d’équations qui décrivent les efforts résultants
de la masse alternative sont très complexes et dépassent le niveau de ce manuel (et du mien), mais il est
généralement considéré que la masse du contrepoids devrait comprendre 100 % de la masse du maneton et de son
attachement, 100 % de la masse rotative de l’ensemble piston-bielle, puis 50 % de la masse alternative de
l’ensemble piston-bielle. Le 50 % étant pour une bielle de longueur infinie. Fiez-vous aux recommandations de votre
centre d’usinage.
Il y a eu une époque où je calculais tout simplement tout ce qui me tombait sous la main. Sur le moteur de moto que
j’avais à l’époque, les contrepoids assuraient l’équilibrage des manetons et de leurs attachements, mais 0 % de la
masse alternative et rotative des ensembles piston-bielles. Beaucoup de moteurs n’ont tout simplement aucun
contrepoids.
Dans tous les cas, l’équilibrage du vilebrequin tel qu’il est fait par les centres de reconditionnement de vilebrequin
offre une paix d’esprit additionnelle sur les vibrations globales, le coût relativement faible de l’opération en fait un
incontournable.
15.3
EFFET DE LA CONFIGURATION D’UN MOTEUR SUR L’ÉQUILIBRAGE
L’arrangement général d’un moteur influence son équilibrage. Certains moteurs nécessiteront des masses
additionnelles aux extrémités du vilebrequin, d’autres moteurs demanderont d’avoir des arbres d’équilibrage
tournant à deux fois la vitesse du vilebrequin.
Nous parlons donc de deux niveaux d’équilibrage, soit les forces primaires et les forces secondaires. Ce qu’on
appelle primaire est l’équilibrage qui se fait au régime du moteur; le secondaire se fait à une vitesse du double du
vilebrequin. Le primaire se fait en ajustant le poids directement sur le vilebrequin ou sur un arbre secondaire qui
123
tourne au même régime que le moteur; le secondaire demande un arbre d’équilibrage qui est entrainé au double de
la vitesse du vilebrequin. On retrouve des arbres d’équilibrage secondaires qui sont entrainés par engrenage, par
chaîne ou par courroie. Si l’on prend par exemple un moteur Honda H22A, il y a deux arbres d’équilibrage entrainés
par une seule courroie, dont un primaire et un secondaire. J’avoue que je ne connais pas les raisons exactes
justifiant l’arbre d’équilibrage primaire.
En plus de l’équilibrage primaire et secondaire, il y a aussi l’équilibrage du moment du vilebrequin, encore ici dans la
version primaire et secondaire. Le moment peut être décrit comme un couple induit au vilebrequin et tentant de le
faire pivoter sur lui-même selon un axe à 90 degrés de son axe de rotation. Tout comme l’équilibrage des forces
primaires et secondaires, les couples primaires sont fonction de l’arrangement général du moteur.
Certaines configurations de moteur sont naturellement balancées pour les forces et les couples, que ce soit primaire
ou secondaire. Le plus bel exemple d’une configuration naturellement balancée est le moteur en ligne 6 cylindres.
La Table 1-1 donne l’information sur le balancement des forces primaires et secondaires, ainsi que les moments
primaires et secondaires pour différentes configurations de moteurs.
Ces effets de l’équilibrage influencent la conception des moteurs, de l’angle entre les bancs de cylindre pour les
moteurs en V, ainsi que l’arrangement général des vilebrequins.
Si l’on prend les moteurs les plus communs, notons que les moteurs 4 cylindres en ligne demandent un arbre
d’équilibrage des forces secondaires. Les moteurs V8 à 90 degrés sont correctement balancés lorsque le
vilebrequin retient la configuration la plus courante, soit un vilebrequin où les manetons sont étalés sur 4 plans à 90
degrés. Le V8 à 90 degrés demande néanmoins une attention particulière pour l’équilibrage du moment primaire.
Les V6 à 60 et 90 degrés sont équilibrés pour les forces primaires et secondaires, mais tout comme le V8, il
demande un équilibrage des moments primaires et gagnent à avoir un arbre d’équilibrage secondaire pour contrer le
moment.
Il faut retenir que ceci influence la vibration du moteur en tant qu’ensemble, mais n’influence pas ses performances
ou les contraintes sur les organes internes du moteur. Toutefois, un moteur qui vibre beaucoup pourra créer des
ruptures de pièces s’attachant sur celui-ci.
Le cas des 4 cylindres en ligne est intéressant. Il faut théoriquement un arbre d’équilibrage secondaire, mais en
pratique, beaucoup de moteurs n’en possèdent pas. Il est jugé que lorsque les moteurs ont moins de 2 litres, les
vibrations sont suffisamment faibles pour être négligées. Ceci est généralement vrai pour les automobiles, mais les
moteurs de moto sont souvent conçus avec les arbres d’équilibrage pour une raison assez simple : les motos sport
sont conçues pour être très puissantes et extrêmement légères. Afin d’atteindre ces buts, l’ajout d’un arbre
d’équilibrage permet de monter le moteur sur le cadre de façon rigide et de s’en servir comme élément structural. Si
je reviens aux automobiles, au moment d’écrire ces lignes, je possède un moteur de Toyota 1.8 litre modifié, sans
arbre d’équilibrage. Et bien, la vibration haute fréquence générée et non atténuée ne cesse de faire craquer divers
petits supports retenant des composantes comme l’alternateur, le tube de jauge pour le niveau d’huile et j’en passe.
Et soyons honnêtes, ce petit moteur tourne joliment, la base est somme toute d’une très belle conception et solide
pour faire passer des puissances surprenantes.
Il y a une croyance qui dit que pour balancer un vilebrequin, il faut aussi apporter les ensembles piston-bielles chez
le spécialiste. Cela peut être vrai, mais ne l’est pas pour un moteur comme un 4 et 6 cylindres en ligne.
15.4
Beaucoup a déjà été écrit dans la section précédente sur les arbres d’équilibrage. Tel que discuté, leur but est
d’atténuer les vibrations du moteur.
Il est parfois possible de les mettre hors fonction et même de les éliminer. Ne vous détrompez pas, les enlever
risque d’augmenter de beaucoup le niveau de vibration. Cependant, je ne peux faire le tour de tous les moteurs ici,
et encore moins de prévoir les conséquences de tels changements.
Sachez seulement que si vous comptez les enlever, vous devez être au courant des effets.
Dans un premier temps, si vous les mettez hors fonction, vous obtiendrez d’un côté une augmentation de vibration,
mais aussi un petit gain de puissance, probablement un gain se situant entre 2 et 5 HP. Évidemment, l’inertie du
moteur sera plus faible, le moteur réagira donc plus vivement.
124
C’est un peu plus compliqué de les enlever. Les avantages de les enlever sont d’obtenir les mêmes avantages que
lorsqu’ils sont hors fonction, avec en plus une réduction en poids morts, avec en plus une diminution de la
consommation d’huile. Les enlever est un peu l’équivalent d’augmenter le débit de la pompe. Toutefois, soyez
conscient que si vous enlevez les arbres d’équilibrage, il vous faudra boucher tous les passages hydrauliques qui
alimentaient les paliers des arbres. Cela peut demander un démontage important du moteur, et surtout une très
bonne compréhension du circuit hydraulique à l’intérieur du bloc moteur. Une erreur dans le blocage des
canalisations peut causer des dommages importants dans un laps de temps très court.
Du point de vue de la fiabilité, les vibrations peuvent devenir une cause de bris de différentes composantes
installées sur le moteur.
J’ai déjà fait cette modification sur un moteur Honda H22A monté rigide dans une voiture de course, la vibration
générée devenait plutôt surprenante à bas régime, mais curieusement, le moteur tournait plus doucement et
vivement à haut régime.
15.5
VOLANT / BALANCIER HARMONIQUE
Certains moteurs peuvent avoir un équilibrage qui n’est pas zéro sur le volant (volant d’inertie est le terme exact)
ainsi que sur le balancier installé à l’avant du vilebrequin. Il y a surtout bien des rumeurs à ce sujet. Il y a bien des
moteurs dont le vilebrequin demande d’avoir un équilibrage extérieur. Lorsque c’est nécessaire, on parle d’un
déséquilibrage majeur créé sur le volant ou le balancier. Lorsque ces pièces semblent entièrement symétriques
sans avoir un poids désaxé, vous pouvez tenir pour acquis que l’équilibrage est neutre, et que l’équilibrage du
vilebrequin ne demande pas ces composantes. Mais votre spécialiste verra sûrement cela d’une façon bien
différente.
Lorsque vous faites balancer le volant et le plateau d’embrayage, tentez de faire équilibrer d’abord le volant, puis le
plateau d’embrayage. Je ne sais pas pourquoi, mais les centres qui procèdent à l’équilibrage de ces pièces ont
tendance à les balancer simultanément, ensuite, lorsque vous devez remplacer le plateau, vous devez tout
démonter et faire équilibrer chaque pièce. Si vous les faites équilibrer séparément, il vous sera plus facile de
changer rapidement le plateau sans le démontage du volant.
125
16
ÉLECTRIQUE
L’électricité est une science assez simple lorsqu’on demeure dans les notions de base, mais demeure quelque
chose d’abstrait dans la mesure où les phénomènes se passent à une échelle hors de notre perception visuelle.
L’électricité est en fait la science où ce qu’on transporte consiste en de petits électrons. Il faut donc voir l’électricité
avec des analogies telles que le courant de l’eau dans une rivière. Si je jette un litre d’eau en amont d’une rivière,
cet ajout aura un effet et permettra à une personne en aval de la rivière de puiser un litre d’eau.
Les principales unités utilisées pour l’électricité automobile sont le Volt (V), l’ampère (A), la résistance (Ohm), le
Watt (W) et enfin la Joule (J).
L’unité Volt représente la tension électrique. Les automobiles fonctionnent généralement avec des systèmes 12
volts. Il ne faudra pas se surprendre de voir un jour apparaître des tensions plus élevées sur les véhicules, pouvant
même aller jusqu’à 48 volts. Une maison fonctionne en 110-0-110 volts, avec un potentiel total de 220 volts. Au-delà
de la tension, il y a aussi le type de courant. Dans l’automobile, le courant continu (CC) est la norme. Les batteries
fournissent du courant continu, et de là, le véhicule en entier utilise cette forme de courant. À l’époque, les
automobiles possédaient des générateurs de courant pour produire le courant nécessaire. Maintenant, on parle
essentiellement d’alternateur qui lui produit un courant alternatif 3 phases qui se voient redressé en format CC. Les
avantages des alternateurs sont multiples. Un de ces avantages est le fait que le champ magnétique est généré par
un courant dont il est possible de faire varier l’intensité afin de produire plus ou moins de courant. Cela explique la
raison pour laquelle si vous n’avez pas de batterie, l’auto ne pourra pas démarrer en poussant, car l’alternateur a
besoin de la batterie pour s’exciter au départ. Il se trouve néanmoins quelques motoneiges et motocyclettes utilisant
toujours des générateurs pour fournir la puissance électrique. Dans ces cas, le moteur pourra démarrer à la
poussée sans batterie. Pour mieux visualiser le concept du voltage, l’analogie avec l’eau est tout simplement la
hauteur d’un barrage. Dans les faits, la tension d’une batterie est toujours plus élevée que 12 volts, soit d’environ
12.2 à 12.8 volts. Lorsque le moteur est en marche, l’alternateur crée une tension comprise entre 13.2 et 14.5 volts.
Le courant utilise l’unité ampère (A) qui est le débit électrique si l’on emprunte les termes utilisés pour l’eau. Un
courant d’un ampère (1A) indique un courant relativement faible dans un système 12 volts. Si l’on parle d’un courant
de 400 Ampères, on parle d’un courant extrêmement important. Comme l’eau, lorsque le courant est élevé, il faut
une grande rivière. Ainsi, la grosseur des fils électriques est reliée au courant qui passe. Un courant important
demandera des fils plus gros que des courants plus faibles. Vous avez sûrement remarqué sur les voitures
modernes que les fils changent de grosseur en fonction de leur emplacement. Ainsi, un fils dans l’habitacle moteur
sera plus gros que lorsque ce dernier passe dans la voiture. Un petit fils chauffera et la tendance est de mettre des
fils plus gros là où il fait chaud, puis des fils plus petits là où il faut froid. Lorsque je mentionne la grosseur du fils,
ceci ne représente pas la grosseur du fils extérieur mais bien le diamètre (ou la surface) du fils conducteur à
l’intérieur du recouvrement. L’épaisseur du recouvrement est nécessaire afin de contrer la tension, qui à la façon
d’un barrage plus haut demandera des parois plus épaisses.
La résistance (Ohm) représente l’étranglement rendant plus ou moins difficile le passage du courant. Si l’on regarde
une bougie, la bougie elle-même possède une résistance électrique, mais aussi l’air où devra se former l’étincelle
permettant de brûler les gaz. Il y a un lien direct entre les volts (V), le courant (A) et la résistance (Ohm). Si le
barrage est très haut, un petit trou à sa base laissera passer beaucoup plus d’eau qu’un barrage de très faible
hauteur. Le lien entre Volt, Ampère et la résistance est selon la formule :
V=RxA
Ainsi, dans un système 12 volts, lorsque la résistance est de 2.4 Ohms, le courant est limité à 5 ampères.
Les Watts représentent la puissance au même titre que les HP, et ici il n’y a pas d’analogie, c’est la même chose.
Ainsi, un HP égal 746 Watts, ou 0.746 kW. Un HP métrique représente toutefois 735 Watts, allez donc savoir
pourquoi! Les Watts représentent la capacité à fournir une tension et un courant en même temps. Les formules
utiles sont :
W
=V xA
2
=RxA
Enfin, il y a le Joule (J), ici on parle littéralement de l’énergie. On le verra plus tard dans les systèmes d’allumage,
mais au-delà des volts et des courants momentanés, il est important de considérer l’énergie réellement dissipée. La
formule est :
126
J
=Wxt
(où t est le temps)
Il est à noter que votre fournisseur d’électricité domiciliaire utilise l’unité kWh, soit le kilo Watt heure, qui est
l’équivalent des joules. Un kWh équivaut à 3 600 000 Joules, rien de moins.
Ce n’est pas par excès de désir de théorie que je mentionne les formules de base de l’électricité, cela devient
particulièrement important dans les systèmes d’allumage de performance où le voltage d’alimentation est de 12
volts, alors que le voltage d’alimentation des bobines d’allumage devient 480 volts, alors que le voltage devient 35
000 volts aux bougies. Comme dit le dicton, rien ne se perd et rien ne se crée, mais tout se transforme. Ainsi, il y a
un but à faire varier les tensions dans les circuits, comme on le verra plus loin, cela explique le fait que les bobines
d’allumages ne sont plus aussi grosses qu’auparavant. Je n’ai qu’à me rappeler la grosse bobine d’allumage jaune
d’Accel, ça, c’était des « coils »…
16.1
ORDINATEUR
Il faut différencier les différents types d’ordinateurs disponibles pour faire fonctionner les moteurs. Il y a trois grandes
familles : les ordinateurs qui contrôlent toutes les fonctions du moteur; les ordinateurs contrôlant une fonction
particulière; puis enfin les ordinateurs prenant en partie le contrôle du moteur.
Il y a plusieurs choix en fonction des besoins à combler. Lorsqu’on parle d’un moteur à carburateur, la place des
ordinateurs se limite au mieux à la gestion de l’allumage. Pour les moteurs injections, le choix devient très vaste, il
peut être facile de se perdre dans les subtilités.
16.1.1 ORDINATEUR DE CONTRÔLE DE MOTEUR (ECU)
Les ECU d’origine sont normalement des ordinateurs à la fine pointe de la technologie, mais ne permettant pas
toujours de laisser libre cours à votre créativité en terme de modification de moteur. Lorsque c’est possible d’ajuster
les paramètres directement dans l’ordinateur d’origine, il faut sérieusement le considérer avant d’entreprendre des
changements majeurs tels que le remplacement par des unités de performance. Dans certains cas, il s’agit de
modifier l’ordinateur avec des composantes afin de pouvoir jouer dans les paramètres d’origine, c’est une solution
qui mérite une attention lorsque c’est possible.
La tâche d’un ECU pour la gestion de l’alimentation en carburant est de délivrer la bonne quantité d’essence au bon
moment. L’ECU d’origine s’occupe aussi de gérer l’allumage et contrôle les systèmes d’avance d’arbre à cames
lorsqu’applicable. À partir de 1996, les ordinateurs d’origines sont contraints d’aider aux diagnostics en émettant des
codes qu’on peut lire maintenant selon le protocole ODBII.
Figure 16-1 “piggyback” Apexi AFC Neo
Figure 16-2, “Piggyback” Greddy e-manage
Parfois, il est difficile voir même impossible d’ajuster les paramètres avec l’ECU d’origine. Dans ces cas, le marché
de la pièce de performance offre différentes alternatives pour combler cette demande. Voyons donc ensemble les
principales catégories de ce qui vous est offert :
- Système de type « piggyback » de type 1A : Ces systèmes sont les plus simples, ils permettent de
tromper la lecture de l’ECU d’origine et ainsi de faire les réglages. Généralement ces systèmes modifient la
lecture de la sonde de débit d’air (MAF, Mass Air Flow) ou de la pression à l’intérieur des tubulures
d’admission (MAP, Manifold Air Pressure). Ce système possède ses limites; un ECU fonctionnant en circuit
fermé compensera éventuellement pour obtenir le Lambda souhaité. Un très bon exemple de ce type de
système est l’Apexi Neo (voir Figure 16-1). L’avantage de ces systèmes est leur simplicité d’installation. Ces
systèmes se limitent essentiellement à ajuster le mélange air – essence.
- Système de type « piggyback » de type 1B : Ces systèmes sont moins fréquents, mais reprennent une
approche similaire au système de type 1A en modifiant la lecture de la sonde d’oxygène. Ces systèmes sont
127
donc dédiés aux systèmes fonctionnant en boucle fermée, pouvant apporter des ajustements peu importe
les conditions d’opération. Il faut aussi comprendre que les paramètres ajustés sont des paramètres assez
lents à s’ajuster, l’ECU corrige les valeurs de façon itérative avant de se stabiliser. Je n’ai pas trop confiance
en cette approche.
- Système de type « piggyback » de type 2 : Ici, on arrive avec une approche beaucoup plus performante
et flexible, l’ECU d’origine est conservé, mais l’ordinateur du « piggyback » prend véritablement le contrôle
de certaines fonctions telles que l’injection d’essence et la cartographie d’allumage. L’ECU d’origine donne
ainsi un signal que reçoit le « piggyback », ce dernier exécute la commande indépendamment de l’ECU
d’origine. Encore une fois, la beauté de ces systèmes est leur prix réduit et leur simplicité d’installation (ils
fonctionnent avec les sondes d’origines). Leur limite réside dans le fait qu’ils ne peuvent pas dépasser les
limites de l’ECU d’origine. En ce sens, le simple fait de vouloir changer le régime maximal peut devenir
impossible. C’est toutefois une belle proposition qui couvre de multiples besoins. Un très bon exemple de ce
type de système est le Greddy e-manage de la Figure 16-2. Les systèmes Power Commander de Dynojet
dédiés au marché des motos entrent dans cette catégorie (en se branchant sur l’injecteur de bas régime
seulement). Cette entreprise propose des kits d’installation spécifiques à des modèles de motos dont
l’installation est extrêmement simple, ne demandant pas de couper des fils. Des programmes sont
disponibles sur internet en fonction des modifications apportées à votre moto. Enfin, les systèmes Power
Commander sont livrés en modules qui gèrent des fonctions spécifiques telles que l’injection d’essence, ou
bien l’allumage.
- Système de type « stand alone » : Arriver ici s’ouvre un monde où la technologie est à la mesure de votre
budget. Ces ordinateurs prennent entièrement le contrôle de la gestion du moteur. Généralement, l’ECU
d’origine est mis de côté. Ces systèmes sont à considérer comme des ECU à part entière. Pour une
personne dont le véhicule sera préparé dans le seul but de faire du circuit, cette solution devient rapidement
une solution très pertinente. Là où ces systèmes montrent leurs faiblesses est lorsqu’on désire les utiliser
pour un usage routier. Bien souvent, ces systèmes auront des performances inférieures aux ECU d’origine
pour le contrôle du ralenti, du démarrage à froid, et parfois ne gèrent carrément pas certains paramètres de
votre tableau de bord d’origine. À l’achat, il vous sera difficile de savoir les limitations du modèle proposé.
Enfin, ne comptez pas aller passer une vérification d’émission avec de tels systèmes. Ces systèmes
n’utilisent pas les outils de diagnostics normalisés selon le protocole OBDII. Pour faire vos propres
diagnostics, un ordinateur portable sera requis. L’ordinateur serait idéalement prévu avec une entrée RS232
qu’on retrouve davantage sur les vieux portables. C’est aussi possible de se brancher via un port USB avec
un programme de communication RS232. Moi je n’ai pas eu grand succès avec ces programmes agissants
comme un diachylon, j’ai préféré me trouver un vieux portable équipé d’un port RS232. Les logiciels
permettant de modifier les programmes dans les ECU sont très légers et ne demandent pas de grosse
machine. Un exemple d’un tel système est l’ECU EFI de la Figure 16-3. Ces systèmes utilisent
généralement un harnais spécifique pour le moteur et peuvent demander des sondes spécifiques. MoTeC
offrent des produits très reconnus.
Figure 16-3, ECU EFI Race 1.2
Si vous choisissez d’aller avec un « stand alone », il faut s’assurer que l’ECU est en mesure de fonctionner avec les
sondes d’origine, puis être en mesure de contrôler les paramètres du moteur. On ne peut installer un ECU de base
sur un moteur sophistiqué. Dans ce cas, l’ECU ne sera pas apte à gérer certains paramètres comme le phasage
des cames, ou même l’avance d’allumage. Pire encore, l’ECU peut ne pas être en mesure de compter les dents sur
le disque de position du vilebrequin. Il faut donc faire attention. Idéalement, prenez un système pour lequel il y a
déjà des applications avec votre modèle de moteur.
Dans tous les cas, un bon système permet de faire les réglages désirés avec une interface conviviale, assurant que
ces réglages soient constants, ce qui peut ne pas être le cas pour certains systèmes. Le choix du système devrait
128
se faire conjointement avec votre préparateur. Avoir le meilleur système au monde avec la personne ressource à
l’autre bout de la planète ne vous servira pas. Considérez toujours que le service après-vente de ces systèmes est
toujours limité. Si vous ne connaissez pas de préparateur travaillant sur les ECU, n’achetez rien. Il est impératif de
trouver le préparateur qui programmera votre ECU avant d’en faire l’acquisition. Assurez-vous aussi que le
préparateur a bien l’expertise requise avec la marque d’ECU que vous comptez installer.
16.1.2 ORDINATEUR DE CONTRÔLE DE L’ALLUMAGE
Ces ordinateurs dédiés au contrôle de l’allumage sont souvent une solution pour les moteurs à carburateur. Ils
contrôlent uniquement l’avance de l’allumage en prenant la lecture du vilebrequin, puis en fournissant un signal
d’allumage allant au distributeur d’allumage, ou directement aux bobines d’allumage.
L’opération est assez simple, l’ordinateur prend un signal très en avance, puis retarde le signal de sortie selon la
programmation. Certains systèmes présentent une très grande flexibilité, alors que d’autres remplacent l’avance
mécanique sans aucune autre fonction.
Ces ordinateurs sont souvent dotés d’une multitude d’entrées permettant de créer un retard d’allumage selon tel ou
tel commutateur. Personnellement, j’aime bien les systèmes MSD. Ils sont parfois un peu en arrière du marché aux
niveaux des spécifications, mais ça fonctionne toujours.
16.2
ALLUMAGE
Le système d’allumage se charge d’alimenter la bougie afin de produire un arc électrique pour enflammer le
mélange air-essence dans la chambre de combustion.
Je me limiterai aux systèmes d’allumages électroniques, ayant rapidement pris en horreur les systèmes à vis
platinées (pointes).
Dans un premier temps, il y a une sonde qui prend la position du moteur. Pour les moteurs avec distributeurs, la
sonde est bien souvent incluse dans la partie intermédiaire de ce dernier. La sonde envoie ensuite, et sans délai, un
signal à un module permettant d’émettre une puissance électrique à la bobine d’allumage. La bobine transforme le
courant d’entrée en un signal de sortie de très haut voltage allant au distributeur avant d’aller rejoindre les bougies.
Dans les anciens systèmes, tout ce qui se trouvait en amont de la bobine d’allumage fonctionnait en 12 volts.
Depuis plusieurs années on parle davantage de système fonctionnant à des voltages de plus de 400 volts. La raison
est assez simple, cela réduit considérablement le courant électrique, ce qui autorise des circuits plus économiques
et plus rapides dans les ordinateurs. Un circuit à 480 volts utilisera un courant 40 fois inférieur à un système à 12
volts. Cela permet aussi de réduire le format des bobines d’allumage. La bobine d’allumage quant à elle transforme
le courant d’entrée en courant de sortie à très haut voltage, de l’ordre de plus de 25 000 volts. Le fait de passer de
12 à 25 000 volts demande des bobines de dimensions plus importantes que de passer de 480 à 25 000 volts. De
plus, une bobine plus grosse possède une impédance (une forme d’inertie électrique) plus importante.
Dans les systèmes avec distributeur, le parcours du courant électrique rencontre plusieurs obstacles. Il y a d’abord
le fil entre la bobine et l’entrée sur le dessus du distributeur. Ensuite, le signal électrique doit fendre l’air et aller
rejoindre le pôle le plus près du rotor, où une partie importante du voltage se perd à cet endroit. Puis le signal
électrique doit passer dans un second fils en direction de la bougie. Bien entendu, la bougie offre elle aussi une
résistance. À l’extrémité de la bougie, le signal électrique doit fendre de nouveau l’air pour créer l’arc électrique tant
souhaité dans la chambre de combustion.
Lorsqu’on regarde de près la donnée technique de la boîte d’allumage de la Figure 16-4, on voit à la première ligne
l’énergie contenue dans une étincelle. Ici, cette valeur est importante, en indiquant la capacité de la boîte à fournir
une puissance électrique pendant une période de temps. Ainsi, plus l’énergie est grande, et plus la durée de
l’étincelle sera longue. C’est particulièrement intéressant avec les moteurs fonctionnant très riches. L’arc électrique
étant intense et de longue durée, le risque d’encrassement des bougies devient plus faible. Il peut aussi arriver
qu’une bougie n’allume tout simplement pas. En augmentant le temps d’allumage, le risque que la bougie n’allume
pas diminue. Pour les systèmes MSD, 105 – 115 mJ (soit 0.105 - 0.115 Joules) représentent des valeurs assez
conservatrices. Certains systèmes peuvent fournir plus de 700 mJ.
On retrouve ensuite le voltage primaire. Cette valeur représente le voltage du signal qui sera fourni à la bobine
d’allumage. À priori, on peut ne pas vraiment considérer cette caractéristique, mais elle devient utile lorsqu’on désire
choisir une bobine d’allumage autre que celle qui nous est proposée par le constructeur.
129
Énergie d’allumage :
Voltage Primaire :
Voltage Secondaire :
Temps d’allumage :
RPM maximum:
105 – 115 mJ par
étincelle
450 – 480 Volts
45 000 Volts
20 degrés de vilebrequin
15 000 RPM avec 14.4
volts
Voltage d’entrée
12 – 18 Volts
requis :
Courant consommé :
1 ampère par 1000 rpm
Figure 16-4, Données techniques d’une boîte d’allumage MSD 6AL
Le voltage secondaire est une valeur importante, mais bien que cette valeur se retrouve dans la donnée technique
de la boîte d’allumage, cette dernière ne dicte pas ce voltage. Ce voltage est généré par la bobine d’allumage qui
est une autre composante. La valeur est citée parce que du point de vue de la mise en marché, c’est la valeur qu’on
recherche. Le voltage secondaire est le voltage selon lequel l’arc électrique sera créé au niveau de la bougie (moins
la perte au niveau du distributeur). Plus le voltage est élevé, plus l’arc électrique pourra se faire dans un
environnement difficile ou avec un espacement important au niveau de la bougie. À partir du moment où l’arc est de
bonne qualité, un voltage plus élevé ne donne pas grand-chose. Mais certaines applications demandent des
voltages élevés. Il s’agit ici de suivre les recommandations du manufacturier. Idéalement, fiez-vous aux
recommandations du fabricant pour la sélection de la bobine d’allumage. N’oubliez pas qu’il est normal que les
bobines d’allumage soient plus petites qu’il y a 20 ans.
Le temps d’allumage est un effet direct de l’énergie dont est capable de fournir la boîte par étincelle. Une énergie
importante revient à dire que la puissance électrique pourra s’exercer sur une longue période.
Le RPM maximum est la limite de révolution par minute du moteur avec lequel la boîte est capable de fonctionner.
Le voltage d’entrée représente le besoin électrique de la boîte. Le courant consommé est en fonction du régime
moteur, car plus le moteur tourne rapidement, plus le nombre d’étincelles fourni sera important, ce qui demande une
plus grande consommation électrique.
De nos jours, beaucoup de voitures utilisent de petites bobines d’allumages alimentées directement par l’ECU et
directement branchées sur la bougie. Le nom utilisé pour ce type de bobine est COP (coil on plug). Dans un premier
temps, le fait que les bobines alimentent directement la bougie réduit la résistance de transmission du signal. Le
seul endroit où le signal doit fendre l’air est au niveau de la bougie. Ainsi, le voltage peut être plus faible, car somme
toute, l’important est le voltage à la bougie. Finalement, le fait que la bobine reçoive moins souvent de signaux limite
son besoin de refroidissement. Lorsqu’il s’agit d’acheter ce type de bobine pour des pièces de performance, il
devient très difficile d’obtenir les informations techniques. Il y a certaines bobines qui s’alimentent directement d’un
signal 12 volts, alors que d’autres s’alimentent avec un voltage élevé de l’ordre de plus de 400 volts. Pour des
raisons de marketing, les manufacturiers sont peu bavards. En effet, nous sommes habitués de voir des
spécifications indiquant des voltages secondaires de plus de 40 000 volts, ça ne fait pas très vendeur d’indiquer des
voltages plus faibles sur une fiche technique de l’ordre de 25 000 volts. Les voltages sont plus faibles dans ce type
de bobine alors que la puissance nette à la bougie peut quant à elle être bonifiée de façon importante. MSD est
particulièrement silencieux sur les caractéristiques techniques. ACCEL donne généralement le rapport du nombre
de tours de bobinage entre la bobine secondaire et la bobine primaire. C’est ce rapport qui dicte la capacité de la
bobine d’allumage à produire un voltage de sortie plus élevé que le voltage d’entrée. Il faut savoir qu’un rapport de
bobinage de 66 :1 produira un voltage secondaire 66 fois plus élevé que le voltage primaire fournit par l’ordinateur.
Dans ce dernier cas, il devient évident qu’une bobine ayant un rapport de 66 :1 n’est pas prévu pour être alimenté
par un voltage primaire de 12 volts, alors que le voltage secondaire se limiterait à seulement 792 volts. Il faut aussi
faire attention aux informations qui sont indiquées qui peuvent laisser entendre par exemple que la bobine peut
générer 80 000 volts. Le voltage secondaire est fonction du voltage primaire et de rapport de tours de bobinage.
Toutefois, la donnée optimiste de 80 000 volts informe tout simplement sur le degré d’isolation électrique des fils
dans la bobine. Le marketing est là pour vendre, pas toujours pour nous aider à y comprendre quelque chose.
Il est très important d’avoir un limiteur de régime. Lorsque la limite de régime est bien choisie, il n’y a pas de mal à
l’atteindre. Il faut néanmoins une limitation qui soit la plus douce possible. Pour les moteurs injections, la limitation
se fait souvent en coupant le signal aux injecteurs, ce qui revient pas mal au même, mais en mieux, car il n’y a pas
d’essence non brulée qui est rejetée dans le système d’échappement, ce qui peut causer des retours de flamme
importants. Certains ordinateurs ont des paramètres pour ajuster le point limite et le point de reprise. Les deux
points devraient avoir la même valeur.
130
Sur les voitures de course d’accélération, la boîte d’allumage se confond souvent à l’ordinateur d’allumage. Dans
ces systèmes, il y a plusieurs entrées pour différentes fonctions provoquant des retards. De plus, il y a
généralement plusieurs niveaux de limiteur de régimes. Ainsi, à la ligne de départ, la pédale d’accélération peut être
appuyée à fond et le régime du moteur se retrouvera limité au régime permettant un départ optimal, adapté au
besoin du coupleur hydraulique entre le moteur et la transmission.
16.2.1 DISTRIBUTEUR
Généralement, un distributeur inclut trois sections : la section du bas gère la courbe d’avance avec des ressorts et
des masses; la section intermédiaire inclut la sonde de position du vilebrequin, mais dont la position est déphasée
en fonction du système d’avance; le troisième niveau comprend le rotor distribuant le signal de la bobine d’allumage
aux bougies selon l’ordre d’allumage.
À une certaine époque, beaucoup de distributeurs avaient quatre niveaux. Le niveau additionnel consistait en une
sonde de position du vilebrequin, qui prenait la lecture avant le système d’avance. Cette sonde était utilisée pour les
systèmes d’injection alors que l’allumage demeurait mécanique.
Figure 16-5, Distributeur d’allumage
À l’inverse, les distributeurs les plus simples se limitent à un seul niveau, alors que leur fonction se résume à faire la
distribution aux différentes bougies. Dans ce cas, la sonde installée à l’extérieur du distributeur doit lire la position du
vilebrequin ou de l’arbre à cames. Il est alors nécessaire d’avoir un ordinateur qui gère l’avance de l’allumage en
fonction du régime du moteur.
Les distributeurs de performance tel que montré à la Figure 16-5 possèdent trois niveaux. La section de l’avance
fonctionne avec un système centrifuge dont un jeu de ressorts permet de créer une courbe d’avance. Un jeu de
butée gère le nombre total de degrés d’avance. Ces distributeurs sont vendus avec plusieurs jeux de ressorts et de
butées, incluant un manuel indiquant le résultat pouvant être obtenu en fonction des différentes combinaisons. Une
fois les paramètres d'avance choisis, il ne s’agit que d’ajuster l’avance au ralenti, puis le tour est joué. Il est toujours
utile de s’inspirer de la courbe d’avance d’origine. Parfois, vous devrez prendre les mesures avec une lampe
stroboscopique (avec indicateur d’avance ajustable), et ce, pour plusieurs régimes afin d’établir la courbe d’avance
d’origine.
On peut parfois voir sur des distributeurs d’origine des systèmes d’avance fonctionnant avec la dépression des
tubulures d’admission. Il faut comprendre que ces systèmes enlèvent de l’avance lorsque la pédale d’accélérateur
est à fond, en procurant une avance plus importante lorsque le moteur fonctionne sans charge pour une économie
de carburant et un fonctionnement plus doux. Les distributeurs de performance n’ont généralement pas de système
d’avance à dépression.
16.2.2 SONDE DE POSITION DU VILEBREQUIN
Pour les moteurs utilisant la sonde d’origine, il n’y a pas grand-chose à retenir de plus que le fait que la sonde
donne le signal à l’ECU.
Pour les systèmes à distributeur, telle que mentionnée dans la section précédente, la sonde prend le signal au
moment où l’étincelle doit se faire.
Lorsqu’on décide d’installer une sonde de position sur le vilebrequin ou sur l’arbre à cames (telle que la Figure 16-6)
en vue d’utiliser un ordinateur programmable pour la gestion de l’avance, il faut placer la sonde avec l’avance
131
maximale qu’on voudra obtenir. En fonction du type d’ordinateur que vous utiliserez, vous gagnerez possiblement à
avoir une possibilité de réglage de ce maximum.
Figure 16-6, Moteur Renault Gordini 1.6 l avec système d’allumage MSD programmable
Deux types de sondes sont souvent offertes, soit les magnétiques et les non magnétiques. Les deux types
donneront des performances similaires, mais les non magnétiques sont souvent plus faciles à installer.
Figure 16-7, Disque de position du vilebrequin Toyota 2ZZ
Les sondes magnétiques détectent les surfaces métalliques lorsqu’elles passent devant la sonde. Les moteurs
d’origine utilisent presque uniquement ce type de sonde. La raison est assez simple, les manufacturiers prévoient
des pièces conçues expressément avec des dents pour permettre la lecture. On verra ainsi des vilebrequins usinés
avec des trous, ou bien un disque de position se glissant sur le bout du vilebrequin (voir Figure 16-7), ou même des
dents sur le volant. Les disques de position possèdent beaucoup de dents pour les moteurs injections, le but est
d’offrir une grande résolution de position. Dans ce cas, il y a toujours un endroit procurant un signal différent afin
d’indiquer un point particulier tel que le point mort haut.
Lorsqu’il s’agit d’ajouter une sonde à un moteur, nous n’avons pas toujours la possibilité d’usiner des pièces
complexes avec les reliefs requis pour donner la position du vilebrequin. La solution la plus pratique est d’utiliser des
sondes non magnétiques. Ces sondes détectent des aimants permanents lorsqu’ils passent devant elles. On peut
donc fabriquer des disques en aluminium, puis y ajouter de petits aimants que la sonde verra à son passage.
Normalement, les systèmes ne sont pas très subtils, le signal ainsi donné donne l’ordre pur et simple à l’ordinateur
de procéder à l’allumage. Ainsi, à un aimant passant devant la sonde résulte une étincelle de bougie. Le moteur 4
cylindres de la Figure 16-6 utilise 4 aimants, le disque étant localisé sur l’arbre à cames et fonctionnant avec un
distributeur.
16.2.3 COURBE D’ALLUMAGE
La courbe d’allumage consiste à fournir l’étincelle à la bougie au meilleur moment pour obtenir une puissance
optimale. Si vous faites des essais, vous verrez au début qu’en augmentant l’avance la puissance augmentera, puis
à un certain point, la puissance se stabilisera, puis enfin que trop d’avance provoquera une perte de puissance. À
132
puissance égale, il faut toujours préconiser le moins d’avance possible afin de limiter les risques d’auto-allumage, ou
d’allumages trop rapides.
Il n’y a pas de moyen sûr afin de déterminer l’avance optimale sauf avec des essais sur dynamomètre. C’est
particulièrement vrai avec les systèmes d’allumages gérés par l’ECU. L’avance dans ces systèmes devient une
cartographie en 3 dimensions dont le régime moteur ainsi que la charge (donné par la sonde MAP) influence le
résultat d’avance. La flexibilité de ces systèmes est telle qu’il est facile de faire n’importe quoi, ce qui peut devenir
vraiment n’importe quoi sauf ce qu’il faut.
L’avance est requise tout simplement parce que le processus de la combustion prend du temps. Il n’y a rien
d’instantané. Le fait de mettre le feu aux poudres ne va pas faire exploser en même temps toute la poudre. Pour
faire exploser une bombe nucléaire, il faut des bombes plus petites, mais assez puissantes pour agir comme
détonateur. Une explosion est un phénomène plus ou moins stable. À la limite, si l’on installe une masse chaude à
la place d’une bougie, on sera en mesure de faire enflammer le mélange. La bougie est là pour moduler avec une
relative précision le phénomène de l’explosion (pour être rigoureux, il faudrait dire une combustion rapide).
Figure 16-8, Cartographie d’allumage en 3 dimensions, MAP / RPM / avance
Lors du temps de compression, le piston compresse le mélange air-essence en remontant dans le cylindre. On
obtient ainsi une pression importante au point mort haut. En ce point précis, une pression ne génère pas de
puissance ou de couple dans la mesure où la bielle est alignée directement avec l’axe du vilebrequin. Pour une
pression égale tout le long de la course du piston, on obtient une courbe de couple en fonction de la position du
vilebrequin tel que la Figure 16-9. Évidemment, cette courbe de pression n’a aucun sens pratique, mais la courbe
est influencée par le rapport entre la longueur de la bielle et la course du moteur suivant ce qu’on a vu pour
l’élaboration de la Figure 9-2. On peut voir que le couple maximal arrive lorsque le vilebrequin est à 75 degrés. C’est
donc à cet instant que la géométrie du moteur est la plus favorable. Plus la bielle sera longue et plus la géométrie
sera favorable pour un angle de vilebrequin allant vers 90 degrés. Théoriquement, l’utilisation d’une bielle infiniment
longue augmenterait le couple de 4.4 %, et évidemment le point optimal serait donc de 90 degrés. Il ne faut pas
oublier que le risque de contact entre les soupapes et le piston est influencé par la longueur de bielle. Une bielle
plus longue oblige une conception plus conservatrice des cames.
Moment (%)
Couple du vilebrequin causé par la pression constante (Ratio Bielle/course = 1.68)
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
30
60
90
120
150
Figure 16-9, Couple du vilebrequin à pression constante
133
180
En pratique, la pression n’est pas constante lors du temps de détente. Si l’on revient à la phase de compression, le
piston monte en créant une pression mélange air-essence. L’effet de la pression fait augmenter la température. Sur
un moteur suralimenté, la pression au point mot haut sera plus grande. Le temps de combustion durera un certain
temps, ce qui est fonction de différents paramètres, mais pas directement du régime moteur. Lors de la combustion,
la pression grimpera dans le cylindre, la pression maximale arrivera aux environs de 10 à 25 degrés après le point
mort haut, mais ici nous n’avons pas le moyen de le vérifier sur notre moteur. La courbe de pression en fonction de
la position du vilebrequin ressemble à la Figure 16-10. Avec ce graphique, il est possible de calculer le couple du
vilebrequin en fonction de sa position.
La Figure 16-11 reprend le calcul du couple au vilebrequin en prenant une pression variable et similaire à ce que
vous pourriez retrouver pour un moteur. On peut voir que le couple maximal est pour une position de vilebrequin
plus faible que la position géométrique optimale. Tous les moteurs ont bien entendu une courbe spécifique.
Lorsqu’on dit que pour diminuer l’auto-allumage, il peut être préférable d’installer une bougie plus froide. La bougie
devient chaude lors des explosions, puis la chaleur latente dans la bougie peut à elle seule créer l’allumage du
mélange. De la même façon, lorsque le moteur a un taux de compression important, le mélange devient très chaud
lorsque le piston arrive vers le haut du cylindre. À ce point, le mélange est sur le point d’exploser par lui-même. De
ce fait, si l’on fait une petite étincelle, on peut s’attendre à ce que la réaction soit plus rapide que lorsque la
température du mélange est plus faible. C’est pour cette raison que les moteurs demandent moins d’avance lorsque
la pédale est appuyée à fond par rapport à lorsque la pédale est appuyée à mi-course.
Pression (%)
Pression dans le cylindre en fonction de la position du vilebrequin
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
30
60
90
120
150
180
Figure 16-10, Courbe de pression dans le cylindre
Couple du vilebrequin causé par la pression dans le cylindre (Ratio Bielle/course = 1.68)
Couple (%)
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
30
60
90
120
150
180
Figure 16-11, Couple du vilebrequin selon la courbe de pression dans le cylindre
134
Lorsque le moteur tourne plus rapidement, le moteur demande plus d'avance, car le temps diminue entre le moment
où on active la bougie et le moment où le piston arrive au sommet. En même temps, plus le moteur tourne
rapidement, plus le mélange risque de se réchauffer par lui-même diminuant le temps de propagation de la flamme.
J’espère que je réussis à être clair.
Avant de modifier la courbe d’avance de votre moteur, il est sage et utile de connaître la courbe d’origine. Un moteur
possédant une sonde vérifiant l’auto-allumage pourra avoir une courbe plus agressive.
En résumé, les critères pour choisir l’avance sont les suivants :
Facteur
Mettre plus d’avance si :
Enlever de l’avance si :
Pression dans le cylindre
Faible
Élevée
Température à l’entrée de la culasse
Froide
Chaude
Énergie d’allumage
Faible
Élevée
Taux d’octane
Élevé
Faible
Température du moteur
Froid
Chaud
Profil de la chambre de combustion
Ouverte
Compacte
Position de la bougie
Décentrée
Centrée
Turbulence dans la chambre de combustion
Faible
Élevée
Charge (ouverture d’accélérateur)
Faible
Importante
Température des bougies
Froide
Chaude
Mélange Air-Essence (AFR)
Riche
Pauvre
Distance que doit parcourir le front de
Importante (alésage
Faible
flamme
important)
Figure 16-12, Facteur influençant l’avance requise de l’allumage
16.2.4 BOUGIE
À l’ère de la technologie où on se fit à des instruments de mesure du mélange avec des sondes d’oxygène
installées à l’échappement, il devient presque inutile d’aborder le sujet de la lecture des bougies. Je vais donc
survoler le sujet, vous trouverez des tonnes de référence avec des tonnes de bonnes photos sur internet ou dans
différents manuels. De plus, je dois avouer que mon champ d’expertise dans les bougies n’est pas très large,
n’ayant jamais expérimenté beaucoup de problèmes complexes à ce sujet.
La lecture des bougies est un art, il faut savoir interpréter les couleurs le long de la céramique sous la section où se
forme l’étincelle. La couleur recherchée est un brun légèrement pâle tout le long de la céramique. Une couleur très
foncée ou noire indique que l’AFR est riche. Une couleur très pâle indique que l’AFR est pauvre. La section de la
céramique située plus près du siège où se produit l’étincelle est plus influencée par la combustion à bas et moyen
régime. Lorsqu’on regarde plus profondément à l’intérieur de la bougie, la couleur est influencée par la combustion à
haut régime. Évidemment, certains carburants laissent moins de dépôts colorés. Pour que la bougie devienne
colorée, il faut avoir soumis le moteur sous charge pendant une période assez longue pour obtenir un dépôt, puis
arrêter immédiatement le moteur afin de ne pas compromettre la lecture due au régime ralenti. Finalement, j’essaie
de vous persuader à vous installer une jauge AFR.
Vous pouvez jouer avec la température des bougies afin de faire de fins réglages, mais au départ, commencez par
des bougies ayant la chaleur d’origine. La bougie agit comme un accumulateur thermique, cet accumulateur se
refroidit par conduction thermique avec la culasse. Une bougie chaude possède une céramique plus longue pour
réduire son refroidissement. La céramique est plus courte pour une bougie plus froide. Comme accumulateur
thermique, la bougie influence le temps d’allumage du mélange air-essence dans la chambre de combustion.
Une bougie plus froide est souvent souhaitable si vous pensez que la température devient particulièrement chaude
dans la chambre de combustion. Les facteurs pouvant créer une température particulièrement élevée sont entre
autres une suralimentation et une longue période où le moteur est à pleine charge (une ligne droite). Il y a 2
problèmes à utiliser des bougies froides, le premier étant une plus grande difficulté du moteur à démarrer, et le
deuxième étant un risque plus important d’encrassement des bougies. Il n’est pas toujours facile de trouver la
bougie encrassée sur un moteur. Vous aurez l’impression qu’il manque un cylindre, ou pire encore, un demicylindre. Avec les systèmes d’allumage avec fil à bougie, il s’agit d’enlever un fil et voir si le moteur change de son,
et si oui, la bougie n’est pas fautive. En pratique, c’est parfois plus simple de changer toutes les bougies. Les
motoneiges avec les moteurs deux-temps sont encore plus sujets à l’encrassement des bougies, il en faut vraiment
beaucoup en réserve, qui sont généralement dispendieuses. En résumé, vous pensez que vous avez besoin de
135
bougies froides, pas de problème, faite l’essai, mais assurez-vous d’avoir un jeu de bougie de chaleur normal dans
votre coffre à gant.
Pour ce qui est de l’écartement de la bougie, encore ici, débutez avec l’écartement d’origine. En gros, plus la
pression dans le cylindre est élevée et plus l’écartement devra être faible. Toutefois, plus la tension d’allumage est
importante, plus l’écartement pourra être grand.
Côté qualité de bougie, la réponse n’est pas facile. Si vous avez un moteur à carburateur, avec un système
d’allumage puissant, allez acheter des bougies à prix économique dans le genre de Champion Copper, ces bougies
sont endurantes aux abus. Les super bougies sont souvent plus capricieuses. Elles sont essentiellement bonnes
pour des applications avec des moteurs injections où le risque d’encrassement est plus faible, où on désire changer
les bougies selon de longs intervalles. En course, il n’y a personne qui désire battre un record de longévité de
bougies, enfin je crois. J’ai une aversion envers les bougies Bosch, c’est la marque de bougie qui m’a donné le plus
de problèmes. Les NGK vont très bien, mais ce sont des bougies sensibles à l’encrassement selon mes
observations. Pour faire démarrer ma moto GSX1100 1986 au printemps après remisage, il me fallait 2 ensembles
de bougies neuves NGK.
Certaines bougies sont plus sujettes à l’encrassement. Lorsque je dis encrassement, je parle d’une forme de verni
qui peut se créer sur les bougies et qui les rendent inefficace. Dans ce cas, il faut soit remplacer les bougies par des
nouvelles, ou bien procéder à un nettoyage des bougies avec des appareils spécifiques. Les moteurs fonctionnant
très riches au ralenti auront plus de risque d’encrassement de ce type.
16.3
RÉGIME D’ENGAGEMENT DU V-Tec
Le terme V-Tec est le terme usuel utilisé pour décrire les moteurs ayant deux configurations d’arbre à cames pour le
même jeu de soupapes. Ainsi, à bas régime, les soupapes fonctionnent avec un arbre à cames favorisant le
comportement à bas régime. À haut régime, un arbre à cames plus agressif entre en action qui favorise la
puissance pure et simple.
V-Tec est un acronyme utilisé par Honda. Tous les manufacturiers ayant ce genre de système possèdent leurs
propres acronymes dont le nom est enregistré.
Lorsqu’on désire obtenir le maximum de performance de notre moteur, il peut être nécessaire de modifier le régime
de passage entre la came de bas régime et celle de haut régime. Le régime d’engagement idéal se fait au point où
la courbe de puissance de la came de bas régime croise celle de la came de haut régime. Pour y arriver, le mieux
est de faire le test sur dynamomètre selon les deux configurations en forçant l’engagement des cames par
programmation.
D’origine, les régimes d’engagements sont toujours supérieurs au régime optimal. Ce choix des manufacturiers est
guidé par plusieurs critères. Il y a d’abord la fiabilité, les systèmes d’engagements des cames de hauts régimes sont
de petites mécaniques qui pourraient se fatiguer, mais en général, la fiabilité est bien assez bonne pour pouvoir
abaisser le point d’engagement. Mais je crois que le principal argument est tout simplement de provoquer une
puissance plus sauvage question de pouvoir émousser le sentiment de puissance.
Il faut ainsi comprendre que le fait de régler le régime d’engagement du V-Tec au point optimal diminue la sensation
de puissance en créant une courbe de puissance plus constante.
16.4
SONDES ET ACRONYMES USUELS
La terminologie usuelle des sondes utilise des acronymes en anglais, pour fins de simplicité, je vais conserver
l’anglais pour les définir.
AFR, Air Fuel Ratio : Rapport entre le débit d’air et le débit d’essence, basé sur la masse.
Cam sensor : Les moteurs avec phasage variable des arbres à cames auront des sondes de position afin de
détecter la position des arbres. Ces systèmes fonctionnent souvent en boucle fermée.
DBC, Drive By Cable : Se dit d’un moteur dont le papillon d’admission est actionné par un câble.
DBW, Drive By Wire : Se dit d’un moteur dont le papillon d’admission est actionné par un moteur électrique qui luimême est commandé par l’ECU dont le signal est donné par la commande de la pédale d’accélération.
136
EGT, Exhaust Gas Temperature : Nom donné à la jauge renseignant sur la température des gaz d’échappement.
IAC, Intake air control valve : Cette valve n’est pas une sonde, mais une petite valve qui contrôle le débit d’air du
moteur en mode ralenti. L’IAC permet de gérer finement le débit d’air pour atteindre un ralenti constant. Cette valve
est installé en parallèle du papillon d’admission, généralement à même le bâti. Cette valve n’est pas présente sur
les moteurs DBW.
IAT, Intake Air Temperature : Tous les moteurs injections possèdent une sonde pour mesurer la température de l’air
à l’admission. Parfois elle sera intégrée au TMAF, ou carrément installée sur le collecteur commun d’admission.
Knock sensor : Sonde permettant de mesurer le niveau d’auto-allumage. Mesure plus ou moins fiable, et bien
souvent, les systèmes de compétitions n’utiliseront pas ce signal pour ne pas retarder inutilement l’allumage. Il faut
normalement procéder à des calibrations afin de filtrer les chocs normaux des chocs causés par l’auto-allumage.
MAF, Mass Air Flow: Certains moteurs utilisent une sonde mesurant le débit d’air à l’entrée du collecteur
d’admission, lorsque le moteur n’est pas muni de MAF, il utilise un MAP. Le lien entre le débit d’air et le débit
d’essence requis pour atteindre l’AFR désiré est direct. Remplacer un MAF devient rapidement dispendieux.
MAP, Manifold Absolute Pressure: Certains moteurs utilisent une sonde mesurant la pression absolue (par rapport
au vide absolu) à l’intérieur du collecteur d’admission. L’ECU sait que lorsque la pression augmente, le besoin en
essence devient plus grand. Contrairement au MAF, le calcul du débit d’essence pour atteindre l’AFR désiré est
indirect. La plupart des ECU de performance utilisent une sonde de ce type. La sonde MAP est normalement
installée à distance du collecteur d’admission, et un petit tube relie la sonde au collecteur.
O2 sensor : Sonde d’oxygène installée sur le système d’échappement afin de mesurer l’AFR.
TPS, Throttle Position Sensor : Cette sonde est très commune et même certains moteurs à carburateur en sont
dotés. Cette sonde donne la position du papillon d’admission.
TMAF, Temperature and Mass Air Flow : Sonde qui inclut dans la même sonde la fonction IAT et MAF.
VANOS, Variable Nockenwellen Steuerung : Système de variation du phasage des arbres à cames. On voit souvent
ce nom dans les logiciels d’ajustements des ECU programmables.
137
17
Un moteur à combustion est un système dont l’efficacité énergétique est de moins de 35 %. L’efficacité se calcule
par le rapport entre l’énergie fournit et l’énergie consommée. Lorsque l’essence brûle de, ce qui est généré est de la
chaleur, si l’on est en mesure de récupérer toute la chaleur on obtiendra une efficacité de 100 %, ce qui n’est jamais
le cas en pratique. Les systèmes de chauffage au mazout offrent un rendement beaucoup plus important que les
moteurs à combustion où la seule énergie perdue est dans la cheminée d’évacuation.
Lorsqu’on parle d’inefficacité, on parle obligatoirement de chaleur. Avec un moteur à combustion, l’énergie perdue
se retrouvera en chaleur à la sortie du système d’échappement, en chaleur évacuée par le système de
refroidissement du moteur, puis par de la chaleur de différentes composantes comme l’alternateur, l’huile et la
chaleur radiante globale du moteur.
Le système de refroidissement est essentiel pour la survie du moteur. La température du moteur influence aussi ses
performances. Certains moteurs obtiendront plus de puissance avec un fonctionnant plus froid alors que d’autres
préfèrent des températures plus élevées.
Afin de respecter les normes antipollution, les constructeurs essaient de faire en sorte que la température optimale
d’opération soit atteinte rapidement après le démarrage. Afin d’y parvenir, ils installent des thermostats laissant
passer peu ou pas de liquide de refroidissement tant et aussi longtemps que la température désirée n’est pas
atteinte.
En général, les moteurs à injection préfèrent une température d’opération plus élevée se situant au-dessus de 80
degrés Celsius.
Lorsque vous démarrez votre voiture, la chaleur s’emmagasine dans le liquide de refroidissement. Par définition il
faut 1 joule d’énergie pour faire augmenter un millilitre d’eau d’un degré Celsius. Lorsque la température atteint une
température donnée, le thermostat s’ouvre graduellement pour faire passer le liquide vers le radiateur. Le radiateur
a la tâche de refroidir le liquide afin de le retourner au moteur à une température plus faible. Au départ, on dira que
le système n’est pas en équilibre, car il y a plus d’énergie allant dans le liquide de refroidissement que d’énergie
dissipée par le radiateur. La quantité de liquide de refroidissement influe sur la rapidité du liquide à changer de
température. Généralement, une automobile à moteur central prendra un peu plus de temps à augmenter la
température de son liquide, car le volume de ce dernier est plus important. La capacité à emmagasiner l’énergie a
un effet important. On retrouvera des voitures de course de type « drift » avec des radiateurs de capacité
relativement faible par rapport à la puissance du moteur. Le fait est que le moteur, bien que puissant, n’est pas
constamment en train de fournir une puissance maximale, puis bien souvent, une course de « drifting » est d’assez
courte durée. À l’opposé, vous verrez des automobiles de circuit routier avec des moteurs bien moins puissants
équipés de radiateurs offrant une importante capacité de refroidissement.
Du côté thermostat, il est toujours préférable d’en utiliser un, ou d’installer une plaque procurant une restriction. La
pompe gagne à fournir une certaine pression pour éviter des phénomènes de cavitation, et d’assurer toujours une
pression positive dans le bloc moteur par rapport à la pression du circuit. Si vous choisissez d’enlever le thermostat,
la grosseur de départ du trou dans la plaque de restriction devrait être égal au diamètre du trou du thermostat une
fois ouvert.
17.1
VENTILATEUR DE RADIATEUR
On retrouve généralement un ventilateur installé afin de pouvoir forcer l’air à passer au travers du radiateur. On
retrouvera généralement des ventilateurs électriques, mais sur les voitures plus anciennes, les ventilateurs
tournaient grâce à une courroie entrainée par une poulie sur le vilebrequin.
Bien des voitures de course n’ont tout simplement pas de ventilateur. Le but du ventilateur est de forcer l’air lorsque
la voiture roule à faible vitesse, ou à l’arrêt. Lorsque le véhicule est en mouvement, c’est la vitesse du véhicule qui
force l’air à passer au travers du radiateur. Dans ce cas, il se peut même qu’un ventilateur en action limite le débit
d’air en créant un barrage.
Il est toujours préférable d’avoir un ventilateur qui aspire l’air au lieu d’un ventilateur qui pousse l’air. Afin de tirer le
maximum du ventilateur, il se doit d’être le plus près possible du radiateur, et d’assurer une forme d’étanchéité pour
qu’il ne s’alimente pas d’air ne provenant pas du radiateur. Évidemment, le débit d’air du ventilateur doit être dans le
même sens que l’air qui arrive lorsque le véhicule est en mouvement. Avant d’acheter un ventilateur, il faut s’assurer
qu’on achète un ventilateur conçu pour l’application qu’on veut en faire.
138
Afin de tirer profit du débit d’air provoqué par le mouvement de la voiture, il est souhaitable de s’assurer que l’air
arrivant au radiateur ne pourra pas être dévié par la résistance à l’écoulement de l’air dans celui-ci. L’air prendra
toujours le chemin le plus facile. Lorsque le radiateur est installé sans conduit guidant l’air en amont, il y a des
chances qu’une partie de l’air choisira de ne pas passer dans le radiateur en le contournant. On a trop souvent
tendance à mettre un radiateur plus épais afin d’augmenter la capacité de refroidissement, dans ce cas, il se peut
même que le débit d’air diminue, causant plus de problèmes qu’auparavant. Il faut donc guider l’air à l’entrée du
radiateur avec des barrières. Idéalement, mais ce n’est pas possible sur une voiture de production, l’entrée de l’air
se ferait avec une entrée d’air placé dans la zone où l’air exerce une pression positive, et surtout, la sortie serait
dans une zone où la pression de l’air est fortement négative. Cette approche est la plus efficace en matière
d’aérodynamique.
Figure 17-1, Effet de la résistance du radiateur avec arrangement sans conduit
17.2
RADIATEUR
Le radiateur est l’élément central du système de refroidissement. Le liquide de refroidissement entre d’un côté et en
ressort de l’autre à une température plus basse. Un radiateur est un échangeur de chaleur entre un liquide et de
l’air.
Évidemment, plus la température de l’air est chaude entrant au travers le radiateur, plus le moteur aura tendance à
chauffer. En circuit routier, ce problème peut devenir important lorsque vous êtes parechoc à parechoc, car la
voiture en arrière récupère l’air chaud de la voiture d’en avant. Ce n’est pas un problème si vous êtes en première
place!
Afin d’être le plus efficace possible dans sa tâche de transmettre la chaleur du liquide à l’air, le liquide parcourant les
canalisations du radiateur doit avoir un écoulement turbulent. Pour obtenir ce type d’écoulement, la vitesse du
liquide doit atteindre une vitesse suffisamment grande qui forcera un décollement en surface. Ceci est la théorie. En
pratique, il est extrêmement difficile de connaître le débit de la pompe équipant votre moteur, puis même si vous
aviez le débit, il vous serait nécessaire d’avoir les caractéristiques internes exactes du radiateur. En définitive, il
vous faudra faire des essais afin d’avoir le cœur net du gain obtenu. Toutefois, tous les moteurs se ressemblent un
peu, les paramètres de base ne sont pas diamétralement opposés.
Les radiateurs de performance sont offerts avec différentes caractéristiques et les plus fréquentes sont les
suivantes :
-
nombre de passages;
épaisseur;
matériaux de construction;
dimension.
Le nombre de passages se limite généralement à 1 ou 2. Un radiateur a toujours 2 réservoirs, et lorsque les deux
réservoirs ont un tube de raccord pour recevoir les boyaux de radiateur, il devient clair que le radiateur est de type à
un passage. Lorsqu’il y a deux tubes sur le même réservoir (donc aucun tube sur le deuxième réservoir) il devient
possible de conclure que le radiateur est de type à 2 passages (parfois indiqué comme étant de type Scirocco).
Dans un radiateur à 2 passages, le liquide entre d’un côté, se dirige de l’autre côté en passant dans la moitié de la
surface du radiateur, puis revient en passant par l’autre moitié. Dans ce cas, le réservoir apparemment commun est
en fait divisé en deux. Un radiateur ayant 2 passages risque d’avoir un écoulement plus turbulent dans la mesure où
la surface de passage du liquide est plus faible, mais l’écoulement est plus restrictif. Dans les faits, le radiateur
devrait être choisi en fonction de la pompe et de la chaleur à extraire.
139
L’épaisseur d’un radiateur est un aspect dont il faut faire attention avant de tirer des conclusions. La raison d’être
d’un radiateur plus épais est de pouvoir échanger plus de chaleur avec la même surface frontale. Par contre, cette
épaisseur additionnelle offre une résistance importante au passage de l’air. Ainsi, vous pourriez installer un
radiateur plus épais et aggraver votre situation. Un radiateur plus épais demande une plus grande attention afin de
s’assurer que le débit d’air passant au travers soit maintenu. Le radiateur idéal est un radiateur mince de très
grande dimension. La Figure 17-3 montre un aménagement d’un radiateur de performance sur une voiture ayant
reçu une attention particulière afin que tout l’air entrant dans l’ouverture en avant de la voiture passe forcément par
le radiateur. On peut aussi remarquer qu’une pompe électrique assure le débit du liquide de refroidissement.
Radiateur simple passe
Radiateur double passes
Figure 17-2, Type de radiateur
On retrouve deux choix de matériaux utilisés pour la construction des tubes principaux de la partie centrale du
radiateur, soit le cuivre et l’aluminium. Ces deux matériaux sont de bons conducteurs de chaleur. Le cuivre se
retrouve davantage sur les plus anciens radiateurs, ou sur les radiateurs industriels. L’aluminium a pris la relève
depuis de nombreuses années. L’avantage de l’aluminium est son poids plus faible, puis ses meilleures capacités
mécaniques. L’aluminium a rendu possible la réalisation de tubes beaucoup plus large, ce qui rend
automatiquement le radiateur plus compact. On peut retrouver des tubes de plus de 1 pouce alors que sur les
radiateurs de cuivre, l’épaisseur maximale d’un tube est de 5/8 de pouce. Entre les tubes principaux est insérée une
fine bande ayant de petits déflecteurs afin de maximiser l’échange de chaleur. Le matériau de cette bande est
toujours le même que celui des tubes principaux. Enfin, les réservoirs peuvent être en métal ou en plastique. Les
réservoirs en métal ont l’avantage d’être soudés pour une plus grande résistance mécanique comparativement aux
réservoirs en plastique. Une autre raison qui justifie l’utilisation de réservoir en métal est de pouvoir offrir une plus
grande sélection de dimension de radiateur sans demander d’investir dans des moules d’injections de plastique.
Figure 17-3, Aménagement d’un radiateur de performance
Les dimensions des radiateurs de performance sont multiples et c’est à vous de trouver le meilleur choix pour votre
voiture. Un radiateur plus grand aidera à augmenter la capacité de refroidissement.
17.3
POMPE
La pompe sert à faire circuler le liquide de refroidissement. Cependant, ce n’est pas elle qui crée la pression dans le
système. La pression est générée par l’expansion thermique du liquide. Une pression d’écoulement existe,
néanmoins, elle est beaucoup moins importante. Les pompes sont généralement entraînées via une courroie du
moteur.
Dans le rayon des pièces de performances, vous trouverez parfois des pompes vous promettant un débit plus
important que vous ne serez pas en mesure de vérifier. En général ces pompes donneront de très bons résultats
140
lorsque le moteur fonctionne de bas à moyen régime.
Dans les faits, une pompe sera dimensionnée par le manufacturier pour les bas régimes. C’est pourquoi, lorsqu’on
modifie un moteur, la pompe d’origine s’acquitte généralement bien de son rôle, car lorsqu’on exploite le moteur à
fond à haut régime, la pompe est naturellement de trop grande capacité.
Il est possible de trouver des pompes électriques qui offrent une grande latitude d’installation. Cependant, le prix de
revient de ces pompes est relativement élevé. J’ai tendance à penser que si vous n’avez pas de problème avec la
pompe d’origine, vous n’avez pas vraiment de raison d’opter pour des solutions alternatives. La beauté avec une
pompe électrique est qu’elle offre un débit constant peu importe le régime moteur. Son inconvénient est qu’à haut
régime, la pompe électrique fournira encore un débit constant qu’on souhaiterait possiblement plus important.
Néanmoins, les pompes de haute performance sont toujours fabriquées avec des débits importants.
17.4
RÉSERVOIR D’EXPANSION
Le liquide de refroidissement prend de l’expansion en augmentant de température. Il faut normalement compter 6 %
d’expansion. Cela sous-entend qu’il est nécessaire d’avoir une solution pouvant s’accommoder de cette variation de
volume. De plus, le circuit du liquide de refroidissement doit être prévu afin que l’air ne soit pas entraîné dans le
liquide. Enfin, les systèmes sont prévus avec une réserve en cas de perte de liquide et pour faire face à une
situation où le liquide se contracte sous des températures très basses. Ainsi, le système doit être avec une réserve
d’environ 10 %. Pour faire face à ces enjeux, les manufacturiers ont développé deux types d’aménagements.
Figure 17-4, Circuit de liquide refroidissement avec réservoir de décharge
La Figure 17-4 montre le circuit de refroidissement le plus commun et aussi le plus économique. Lors du
remplissage, il faut s’assurer qu’il y est le moins d’air possible en faisant tourner le moteur jusqu’à ce que le
thermostat s’ouvre afin de faire circuler entièrement le liquide dans le système. Une fois le système plein, il ne s’agit
que de mettre une quantité de liquide dans le réservoir de décharge. Dans les faits, lorsque le liquide prend de
l’expansion, le radiateur déborde, le capuchon du radiateur laisse alors passer le liquide vers le réservoir de
décharge. Un petit tube relie le radiateur et le bas du réservoir de décharge. Lorsque le liquide de refroidissement se
contracte à nouveau, le capuchon du radiateur permet au système d’aspirer du liquide du réservoir de décharge.
L’avantage de ce système est sa simplicité de tuyauterie et son faible coût.
La Figure 17-5 est un aménagement plus complexe et représente la meilleure solution. Dans ce cas, le réservoir de
décharge est remplacé par un réservoir d’expansion où cohabitent du liquide et de l’air. Le réservoir possède dans
ce cas un minimum de 2 boyaux, dont un petit localisé vers le haut, et un autre boyau de dimension plus importante
localisé dans le bas du réservoir. Lors du remplissage, le liquide est versé directement dans le réservoir, le boyau
de dimension plus importante (au moins 19 mm (3/4”)) achemine le liquide dans le système, normalement à un
endroit le plus bas possible du moteur. Le petit boyau doit quant à lui être localisé au niveau le plus haut possible à
un endroit où l’air peut s’accumuler créant un blocage. Dans certains systèmes on peut retrouver plusieurs petits
boyaux. J’ai déjà conçu des systèmes où plus d’une dizaine de petits boyaux se raccordaient ensemble sur des
groupes électrogènes de plus de 1 500 kW. Vous remarquerez sur le dessin que le radiateur n’a pas de bouchon de
remplissage. L’avantage de ce système est que lorsqu’il est bien conçu, il n’est pas nécessaire de se préoccuper
d’enlever l’air du système. Le rôle de cet aménagement est de permettre une désaération automatique du système.
Évidemment, cela crée un contournement du liquide ne passant pas dans le radiateur. Le petit tube doit être assez
petit pour limiter le débit. Le gros boyau doit être suffisamment gros afin de permettre un remplissage rapide. Le
141
liquide doit circuler du petit tube vers le réservoir, et de ce fait, le gros tuyau doit être localisé en amont afin de
profiter de la différence de pression de l’écoulement entre les deux boyaux. Les voitures de prestiges ainsi que les
équipements industriels utilisent presque uniquement ce type de système. Son principal défaut est qu’il est plus
complexe en demandant plus de plomberie. Cette complication le rend très peu utilisée pour les motos où l’espace
est un enjeu important. Si vous optez pour cette solution, vous risquez d’être contraint d’acheter un radiateur avec
un emplacement pour un bouchon de remplissage. Vous aurez ainsi le choix de boucher le trou existant avec une
plaque soudée, ou bien d’installer un bouchon ayant une pression de décharge plus élevée que le bouchon du
réservoir de désaération.
Figure 17-5, Circuit de liquide refroidissement avec réservoir d’expansion
17.5
LIQUIDE
Le liquide est le média par lequel la chaleur du moteur est transportée vers le radiateur qui lui se charge de la
transférer à l’air.
Le liquide doit être en mesure de permettre un bon échange de chaleur, en pouvant demeurer à l’état liquide lorsque
le moteur est chaud, ainsi que de ne pas geler lorsque la température devient froide. De plus, il doit pouvoir assurer
que les composantes dans lesquelles il circule ne se détériorent pas par le corrosion.
L’eau est un très bon échangeur de chaleur, mais la température où elle se transforme en glace est d’à peine 0
degré Celcius (par définition, à la pression atmosphérique), alors que sa température d’ébullition est d’à peine 100
degrés Celsius (par définition, à la pression atmosphérique), en plus de ne pas être un inhibiteur de corrosion. Le
liquide antigel qu’on retrouve normalement dans nos moteurs remplit ce rôle en satisfaisant tous les critères.
L’antigel est un liquide qui se mélange à l’eau. On fera varier la concentration afin d’atteindre les températures
recherchées. Le mélange qu’on retrouve souvent est 50-50, soit autant de liquide antigel pur que d’eau pure. Avec
un tel mélange, on se retrouve généralement avec une température de congélation du liquide de près de -40 degrés
Celsius et un point d’ébullition de plus de 110 degrés Celsius. Les contenants d’antigel indiquent généralement les
températures caractéristiques en fonction du mélange. Le volume d’antigel ne dépasse jamais 50 % du volume total.
Il faut savoir que l’antigel ne transfère pas la chaleur aussi efficacement que l’eau.
Certaines réglementations de compétition peuvent imposer de l’eau comme liquide réfrigérant. La raison principale
de cette réglementation est d’éviter de détériorer le pavé en cas de problèmes mécaniques ou d’accident. Dans ce
cas, il faut s’attendre à ce que la température de fonctionnement du moteur diminue, mais la tolérance aux hautes
températures sera réduite, l’eau bouillant plus facilement. L’eau devrait toujours être de l’eau distillée afin de ne pas
induire des composants pouvant créer des dépôts tels que le calcaire. Ceci est vrai aussi lorsqu’on utilise de
l’antigel. Enfin, il est généralement permis d’ajouter des mélanges se disant miracles (dont je n’ai pas vu de résultats
probants au niveau de la température) qui contiennent des additifs afin de réduire la corrosion.
Les systèmes de refroidissement sont normalement pressurisés, et cette pression permet d’élever la température
d’ébullition. Un capuchon de radiateur de 22 psi permet d’atteindre une température plus élevée d’ébullition du
liquide qu’un capuchon de 14 psi. La pression du capuchon est la pression autorisée dans le système avant que le
liquide ou l’air soit rejeté à l’extérieur du système sous pression. J’aimerais pouvoir vous fournir l’effet de la pression
sur la température d’ébullition à l’aide d’un tableau, mais je n’ai jamais trouvée les valeurs exactes et bien
documentées. Normalement les contenants d’antigel donnent les températures d’ébullition pour des capuchons de
14-16 psis.
142
18
Le circuit hydraulique d’un moteur est l’élément principal dont dépend la survie du moteur. C’est lui qui alimente les
coussinets en huile, c’est lui qui achemine l’huile aux éléments clés tels que les poussoirs de soupapes. Les
moteurs avec des systèmes d’avance d’arbre à cames et les moteurs fonctionnant avec des arbres à levage
variable utilisent l’huile pour les activer.
Autant cela est crucial, autant ce système demande peu de modifications pourvu qu’on s’assure que l’huile soit bien
acheminée à l’entrée de la pompe. Évident à priori, mais force est d’admettre que cela peut poser des problèmes.
18.1
POMPE
Du système hydraulique, l’élément principal est la pompe. Généralement, les pompes sont de type à engrenages
reprenant une construction similaire à la Figure 18-1. Normalement, les pompes ne sont pas une source de
problème, mais il peut arriver que l’engrenage extérieur se casse (oui, je sais, ça n’arrive jamais, sauf à moi bien
sûr) causant la mort certaine de votre moteur. On trouve typiquement ce genre de pompe en prise directe sur le
bout du vilebrequin à l’avant du moteur, incluse dans un couvert. Ces pompes n’aiment pas les très hauts régimes
du moteur. De plus, dans ces cas, il est difficile d’imaginer pouvoir augmenter le débit de la pompe.
Figure 18-1, pompe à l’huile
Figure 18-2, Pompe à l’huile cassée
Certains moteurs tels que les V8 américains traditionnels ou les vieux moteurs anglais possèdent une pompe
disponible comme un ensemble, se vissant en dessous du moteur. L’exemple de la Figure 18-3 montre un tel
système. Généralement, ces pompes sont disponibles avec différentes options de débit pour satisfaire plusieurs
types d’applications, ce qui peut s’avérer utile. Les moteurs de moto ou encore les moteurs Ford Duratec possèdent
ce genre de pompe, c’est vraiment mieux qu’une pompe montée directement au bout du vilebrequin.
Une pompe ne devrait jamais aspirer de l’air car cela cause de la cavitation en plus de causer une alimentation
insuffisante des coussinets du moteur. La pompe aspire l’huile à partir d’un tube muni d’une crépine directement
dans le carter. La pompe achemine l’huile vers le filtre à l’huile localisé à l’extérieur du moteur, puis dans le système
de refroidissement de l’huile si vous avez opté pour cette sécurité, puis revient enfin dans la galerie de distribution
hydraulique du moteur. Ce qui permet de bâtir la pression dans le système hydraulique est la restriction causée par
les jeux réduit entre les composantes.
Figure 18-3, Pompe de type « remote »
On comprend qu’un moteur possédant des jeux trop élevés se retrouvera avec une pression d’huile plus faible. En
soi, une pression d’huile très élevée n’aidera pas directement la lubrification, cela ne se traduira pas forcément par
143
une meilleure fiabilité. Lorsque le moteur fonctionne, la pression sur les paliers devient rapidement beaucoup plus
importante que la pression de la pompe. Ici il s’agit d’une forme de compromis, il faut s’assurer que le débit
nécessaire d’huile soit acheminé au système hydraulique, une pression élevée vous pénalisera en puissance.
Chaque moteur possède un régulateur de pression d’huile localisé très près de la sortie de la pompe, l’excès de
débit causant la surpression est retourné dans le carter ou à l’entrée de la pompe. Le régulateur possède
généralement un petit piston assorti d’un petit ressort. À une certaine pression, le piston se déplace et l’huile en
surplus est vidangée. En pratique, cette soupape de sécurité est active lorsque l’huile est froide, mais lorsque l’huile
devient chaude, la pompe devient incapable de bâtir suffisamment de pression, à ce stade aucune sécurité n’est
requise. Lorsqu’on désire augmenter la pression, il faut soit changer le ressort du régulateur ou bien augmenter la
précharge en allongeant le ressort ou en ajoutant une cale.
On retrouve parfois des moteurs de compétition équipés d’une pompe extérieure, ici on parle de système de carter à
sec dont il est question à la section 18.3.
Figure 18-4, Pompe pour carter à sec
18.2
CARTER À L’HUILE
L’ajout d’un carter de performance est l’un des bons investissements qu’on peut faire pour aider à la fiabilité de votre
moteur. Évidemment, ce n’est pas la solution ultime que représente le carter à sec, mais pour un montant
raisonnable, on obtient souvent ce qu’on recherche lorsque les forces latérales sont maintenues à des valeurs
normales. Une voiture avec beaucoup d’appui aérodynamique pourra ne pas se satisfaire de cette solution.
Figure 18-5, Carter standard, où la voiture est à l’arrêt, puis soumise à un virage de 1.4 G.
Figure 18-6, Carter à l’huile modifiée, où la voiture est à l’arrêt, puis soumise à un virage de 1.4 G.
La Figure 18-5 montre l’huile à l’intérieur d’un carter à l’arrêt ainsi qu’en courbe. On peut voir que la prise d’huile
devient rapidement très près de la limite avant de débuter à aspirer de l’air, ce qui est évidemment déconseillé.
144
La Figure 18-6 montre l’huile à l’intérieur d’un carter modifié à l’arrêt ainsi qu’en courbe. On peut voir que par
rapport à la Figure 18-5 il y a plus de marge avant que le tube de prise d’huile débute à aspirer de l’air. Un carter à
l’huile plus profond avec la prise d’huile déplacée donne un résultat tout aussi bénéfique, mais souvent il n’est pas
possible d’abaisser le carter, alors la solution préconisée est un carter élargi. Autre bénéfice d’un carter modifié est
l’accroissement de la quantité d’huile qui n’est somme toute jamais néfaste.
La Figure 18-7 présente un très beau carter tout en aluminium fabriqué par Moroso. On peut remarquer la plaque
qui sépare le niveau d’huile d’avec le reste du moteur. On peut aussi voir brièvement un système de trappe monté
sur penture qui permet d’agir pour stabiliser l’huile près du tube d’aspiration. Le tube d’aspiration se trouve ainsi
isolé dans une chambre où l’huile est plus stable et où le risque d’y trouver de l’air est diminué. Enfin, on peut
remarquer la forme élargie vers le bas pour accroître la quantité d’huile et permettre un niveau d’huile plus élevé en
virage. Sur les carters humides utilisés sur les moteurs de motos (pour des applications DSR) comme fabrique par
exemple Rilltech, les trappes sont extrêmement étanches et de qualité.
Figure 18-7, Carter à l’huile Moroso pour moteur Toyota 2ZZ, avec trappe
Les motos ne demandent pas grande attention sur ce point, le niveau d’huile demeurant à peu près constant en
virage. Les seuls problèmes arrivent lorsque la moto roule sur la roue avant ou arrière. Les manufacturiers prévoient
normalement un carter qui assure une bonne alimentation à la pompe lorsque la moto est sur la roue arrière. Il peut
en être autrement lorsque la moto est sur la roue avant près de l’axe d’équilibre. Mais due au fait que le moteur n’est
pas sous charge et que le temps passé dans cette position n’est pas éternel, ce manque d’huile ne cause
généralement pas de problème aux paliers selon mon expérience, et ce malgré le fait d’avoir vu bien souvent
l’indicateur de pression s’allumer.
18.3
CARTER À SEC
Pour ceux possédant les moyens financiers, un système de carter à sec représente le summum en termes de
performance et d’exotisme.
Le fonctionnement est simple, la pompe extérieure aspire l’huile du carter à l’huile (qui sera normalement surbaissée
pour pouvoir abaisser le moteur), puis l’achemine vers un réservoir externe au moteur, puis une deuxième pompe (à
même la première pompe) aspire l’huile du réservoir pour la réacheminer vers la galerie de distribution du moteur.
Les avantages sont multiples, mais pas toujours pertinents. C’est à vous de voir. Les avantages se résument à :
12345678910-
possibilité d’abaisser le moteur très bas dans la voiture;
améliore la désaération de l’huile;
diminue la quantité d’huile dans le moteur;
élimine le risque que de l’air soit aspiré dans le circuit d’huile lorsque la voiture est soumise à des forces
d’accélérations importantes;
maintien de bloc sous une pression négative;
augmente un peu la puissance (2 à 3 %, donnée non vérifiée) du moteur en réduisant les trainées d’huiles,
le déplacement de l’air et l’amélioration de l’étanchéité des segments;
améliore le refroidissement de l’huile;
augmente le volume d’huile;
pompe robuste;
possibilité d’augmenter facilement la vitesse de la pompe en changeant le rapport d’entrainement de la
pompe.
Le système a aussi ses défauts :
145
1234-
augmente la masse du véhicule;
assemblage plus compliqué qu’un système traditionnel;
prix très important;
augmente le volume d’huile.
Pour une voiture de course basée sur une voiture de route, les gains sont très faibles et discutables à moins d’avoir
des problèmes de fiabilité de la pompe d’origine. Une bonne conception d’un carter à l’huile viendra à bout du risque
d’aspiration de l’air par la pompe, car les efforts en courbe sont somme toute assez faibles. Le moteur ne peut à vrai
dire pas être descendu, la transmission et le volant deviennent les limites inférieures à ne pas dépasser.
Finalement, il faut trouver un endroit pour mettre le réservoir. Mais quel exotisme!
Figure 18-8, Carter à sec (moteur monté sur dynamomètre)
18.4
SYSTÈME D’ACCUMULATEUR
Le système d’accumulateur est de loin la solution dont je me passe volontiers, il faudrait vraiment que je sois dans
une impasse pour opter pour cette solution. Mais si la solution existe, c’est qu’elle a ses mérites. Nous allons les voir
ensemble.
Tout d'abord, un accumulateur est un système où on accumule de l’huile pour pouvoir s’en servir au moment
propice. Un accumulateur fonctionne grâce aux baisses de pression. La construction d’un accumulateur est
généralement basée sur un cylindre ayant un piston coulissant à l’intérieur de celui-ci, où d’un coté on retrouve un
gaz comme de l’air ou de l’azote, et de l’autre l’huile du moteur.
Le fonctionnement est assez rudimentaire mais néanmoins subtil dans son utilisation. La première fois qu’on installe
ce système, on s’assure que le niveau d’huile dans le moteur est suffisant pour pouvoir en transférer une partie
dans l’accumulateur. Avec l’accumulateur vide, on ajuste la pression du gaz à environ 5 psi de moins que la
pression minimale du moteur en marche normale de course. Ensuite on démarre la voiture, on ouvre la valve
(manuelle ou électrique) contrôlant l’ouverture de l’accumulateur, puis une partie du débit de la pompe est détourné
pour remplir l’accumulateur. Il faut comprendre que pendant ce temps, on diminue le débit disponible aux
composantes du moteur. Lorsque la pression du moteur est stabilisée, on peut fermer la valve d’isolement de
l’accumulateur. On peut alors éteindre le moteur. Il faut vérifier le niveau d’huile du moteur, puis en ajouter si requis.
À ce stade, le système est prêt et opérationnel. À ce moment, vous observerez que la pression dans la section
pressurisée correspond à la pression d’huile du moteur en état de fonctionnement.
Lorsqu’on démarre pour aller sur la piste, on ouvre l’accumulateur, celui-ci permettra de fournir une certaine quantité
d’huile si la pompe commence à aspirer de l’air en virage. En effet, lorsque la pompe aspire de l’air, la pression
d’huile chute, l’accumulateur fournit l’huile à la canalisation et à la sortie de la pompe pour tenter de minimiser les
pertes de pression. Évidemment, le système est utile seulement si la pompe aspire de l’air. C’est donc un système
qui fonctionne lorsque ça ne va vraiment pas bien, lorsque le carter à l’huile ne fait pas son travail.
Personnellement, ce que je n’aime pas de ces systèmes est que le problème potentiel d’aspiration d’air arrive en
virage, alors que la puissance utilisée du moteur n’est pas maximale. Ensuite, l’accumulateur utilise une partie du
débit d’huile de la pompe pour se recharger lorsqu’on s’engage dans la ligne droite où le moteur est sollicité au
maximum. Personnellement, c’est à ce moment que je souhaite que l’huile soit acheminée au mieux aux
composantes du moteur. Il ne faut pas se faire d’illusions, lorsque l’accumulateur a craché 2 litres au moteur, il faut
bien réaliser que l’huile est maintenant dans le moteur, le niveau d’huile devient donc anormalement haut pouvant
même aller rejoindre le vilebrequin. Enfin, on charge souvent l’accumulateur lorsque la pression d’huile est assez
146
élevée. Après 30 minutes à rouler à fond, la pression d’huile va forcément baisser dû à la viscosité plus faible de
l’huile. On se retrouve encore une fois avec un niveau d’huile anormalement élevé dans le carter.
Figure 18-9, schéma de branchement d’un système d’accumulateur.
Figure 18-10, Accumulateur
L’accumulateur est donc une solution de dernier recours. Il est beaucoup plus profitable de retravailler le carter à
l’huile pour obtenir plus de marge, ou de faire le saut vers le carter à sec. Normalement, un système d’accumulateur
est au moins le prix d’un carter à l’huile.
18.5
PRESSION
La pression est produite par la résistance à l’écoulement de l’huile à franchir les obstacles et orifices à l’intérieur du
moteur. L’écoulement est fourni par la pompe, et autrement dit, la pompe fournit un débit. Sans débit, il n’y a pas de
pression. Sans restriction, il n’y a pas de pression. Évidemment, plus le débit est élevé, plus la pression sera élevée.
À froid, la pression d’huile sera généralement plus élevée qu’à chaud. Le débit peut être similaire, voire plus élevé
lorsque le moteur est chaud. Une pompe hydraulique employée sur un moteur tend à fournir un volume fixe par
révolution; son débit théorique est fixe, mais ses pertes internes sont plus importantes lorsque l’huile se réchauffe et
lorsque la pression monte.
La raison pour laquelle la pression change en fonction de la température est due au fait que la viscosité de l’huile
change en fonction de sa température.
On peut interpréter que le débit est maximal lorsque l’huile se réchauffe, en même temps que la pression d’huile
diminue par la même cause.
Quelle pression est souhaitable pour votre moteur? Généralement, on peut présumer que la pression d’origine est
celle requise. Plus importante que la valeur propre, la pression gagne à être constance. Si vous ajoutez des
accessoires qui consomment un débit d’huile, il faut augmenter la capacité de la pompe afin de retrouver la pression
normale. Si vous roulez sur une piste et que la pression diminue soudainement dans les virages, vous pouvez
suspecter que la pompe aspire de l’air, ce qui peut endommager votre moteur. Si la pression diminue plus qu’à
l’ordinaire dans des situations similaires, il est temps d’arrêter votre moteur, généralement la cause est un palier de
bielle ou de vilebrequin qui est endommagé et qui laisse passer trop d’huile.
Augmenter la pression pour le simple fait de l’augmenter n’est pas un argument. Augmenter la pression en
souhaitant aider les paliers à soutenir la charge est une fausse illusion. Les paliers utilisent l’effet d’aquaplanage
pour prendre la charge, les pressions générées sont de loin supérieures à la modeste pression fournie par la
pompe. L’augmentation de pression permet d’accroître le débit aux paliers.
147
Les moteurs utilisant des systèmes d’arbre à cames variable en levée et en position demandent une pression
minimale de fonctionnement. Ces moteurs sont dotés de capteurs de pression qui empêche les fonctions de
changements de came ou d’avance si la pression minimale requise n’est pas atteinte. Évidemment, si votre moteur
est sur le point de rendre l’âme sur un palier par exemple, vous remarquerez que le moteur demeurera dans sa
configuration de bas régime. Ceci est vrai avec l’ECU d’origine, mais les ordinateurs de compétition n’ont pas ces
protections.
18.6
SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT
Ajouté un système de refroidissement de l’huile est probablement le meilleur investissement que vous pouvez faire
afin d’améliorer la fiabilité de votre moteur. L’huile est le média utilisé pour lubrifier les éléments mécaniques de
votre moteur. Et ici la lubrification prend tout son sens avec les paliers qui utilisent l’huile pour soutenir les charges.
Le film d’huile est très mince, puis avec la rotation du coussinet, l’huile est cisaillé de façon importante et c’est cela
qui cause son usure.
On peut trouver des échangeurs de chaleur huile-air pour refroidir l’huile. Il y a aussi des échangeurs huile-liquide
où le liquide est tout simplement celui de refroidissement du moteur. Un échangeur huile-liquide a l’avantage de
réchauffer l’huile lorsque le moteur est froid. Dans ce cas, l’énergie est déplacée, c’est le radiateur du moteur qui
devra évacuer plus de chaleur.
Figure 18-11, Échangeur pour l’huile à moteur
Pour les voitures de course, il est recommandé d’utiliser le type huile-air. Différentes configurations d’échangeur
sont disponibles, soit à tube rond ou à section rectangulaire. Ces derniers sont plus efficaces pour la même surface,
mais laissent passer l’air plus difficilement. Tout comme le radiateur du moteur, il est important de bien diriger l’air
afin d’en tirer le maximum.
Vous allez souvent trouver sur le marché des échangeurs avec des connecteurs ½”. Cette dimension est
probablement correcte si vous avez peu de raccords et que le radiateur est installé très près du moteur. Dans les
autres cas, tentez d’aller vers du 5/8 ou même du 3/4 de pouce. Plus les boyaux sont gros et moins la perte de
charge est importante dans ces derniers. Lors de vos recherches et avant d’acheter, assurez-vous de commander
un système pour le refroidissement d’huile moteur. En effet, il peut être facile de se tromper avec les systèmes de
refroidissement d’huile à transmission automatique.
Lorsqu’il fait froid et lorsque le moteur est froid, il n’y a pas davantage à refroidir l’huile. Une température froide de
l’huile cause une trop grande viscosité de l’huile. De ce fait, et afin que l’huile puisse faire son travail de manière
optimale, la température doit être à l’intérieur de certaines limites, soit entre 70 et 110°C. L’échangeur permet de
limiter la température maximale, mais pour la température minimale, la solution est toute autre et consiste à
l’installation d’un thermostat. Ce thermostat sonde la température de l’huile, si la température de l’huile est trop
faible, l’huile retourne au moteur sans passer dans le système de refroidissement. J’ai déjà vu des systèmes qui
fonctionnaient par différence de pression d’huile, mais ces systèmes créent automatiquement une perte de pression
pour fonctionner. Le principe par thermostat est favorisé. Des modules avec thermostats sont disponibles pour
installation directement sur le moteur ou à distance. Si l’utilisation du véhicule est uniquement estivale, l’installation
d’un thermostat n’est pas requise.
Il est très rare qu’une auto de série possède un radiateur pour refroidir l’huile à moteur.
18.7
FILTRE À L’HUILE
Le meilleur choix d’un filtre à l’huile réside à ce qu’il joue sont rôle de filtration avec une perte de pression minimale.
En pratique, il s’agit de prendre un filtre de qualité d’origine ou supérieure adapté à votre moteur.
Bien qu’inutile à savoir, vous avez peut-être remarqué que les filtres usuels à cartouche permettent le passage d’un
seul côté. L’entrée de l’huile se fait sur le pourtour où il y a plusieurs trous. En regardant bien, vous remarquerez un
148
plastique faisant obstruction au niveau de ses trous, côté intérieur du filtre. Ce plastique est en fait une membrane
empêchant la circulation de l’huile en sens inverse. La sortie est le trou central à partir duquel se fixe le filtre sur sa
base.
En théorie, il est important de changer de filtre au moins aussi souvent que l’huile elle-même. Pour les moteurs
recevant peu d’attention (comme ma voiture de tous les jours), le changement du filtre devrait se faire plus souvent
que l’huile.
18.8
LOCALISATION DU FILTRE
Le filtre à l’huile est généralement installé directement sur le bloc moteur. Dans certains cas, il peut être utile de le
déplacer et dans ce but, des kits de relocalisation du filtre sont disponibles. Ces kits sont généralement
économiques, mais peuvent être offerts avec des boyaux de 1/2 pouce alors que je favorise généralement des
boyaux d’au moins 5/8”.
Du point de vue de la fiabilité, le fait de déplacer le filtre ne présente pas grand intérêt. Mais parfois, ça devient très
intéressant d’opter pour cette option. Évidemment, le premier avantage d’utiliser un tel kit est de rendre le filtre plus
accessible. Parfois cet avantage à lui seul justifie bien cet achat. Mais il y a d’autres avantages :
-
possibilité d’utiliser des filtres à l’huile de votre choix;
possibilité d’utiliser cet arrangement pour l’installation d’un échangeur lorsqu’on n’utilise pas de
thermostat;
légère augmentation du volume d’huile.
Figure 18-12, Kit de relocalisation du filtre à l’huile
149
19
L’huile est l’élément essentiel à la survie d’un moteur. La qualité de l’huile a grandement évolué au cours des
dernières décennies. Certains moteurs d’époque démontrent une amélioration importante de leur fiabilité causée par
cette progression.
Loin de moi l’idée de vous faire croire que je suis un spécialiste en huile, je ne le suis pas du tout. Ainsi, pour écrire
cette section, j’ai fouillé beaucoup sur internet et j’ai pu parler à un spécialiste en huile. Ainsi, ici je vais tenter de
faire un résumé de ce que j’ai cru comprendre en tentant de regrouper plusieurs sources d’information. Pour
internet, j’ai eu recours à quelques sites particulièrement intéressant, en voici une courte liste si vous voulez lire
davantage sur le sujet :
-
www.api.org
www.acea.be
www.machinerylubrication.com
motorcycleinfo.calsci.com/Oils1.html
www.pqiamerica.com
www.ethosfrance.com/informations-generales/en-savoir-plus-sur-les-esters/
www.zddplus.com
www.upmpg.com
Wikipedia
etc
« Encore une fois, je rappelle que je ne suis pas un spécialiste, et qu’il y aura surement plusieurs
choses de fausse dans ce chapitre. Je n’ai pas été en mesure de trouver la personne qui pourrait
confirmer ce que vous lirez dans de chapitre. »
Comment s’y retrouver dans ce sujet? En fait, je ne m’y suis jamais vraiment retrouvé moi-même. J’ai bien beau lire,
il est clair pour moi que les chiffres sur les contenants d’huile ne révèlent pas tout. Ce n’est malheureusement pas
ici que vous trouverez toutes vos réponses, et lorsque vous les aurez, m’en faire part serait apprécié. En d’autres
termes, l’huile est un sujet complexe qui représente une spécialité en soi. Et même une fois spécialiste, je crois que
la seule façon de départager une huile ultimement est de faire une série de test en laboratoire.
Toutefois, il y a bien des choses de base qui sont accessible à notre compréhension. C’est donc sous cet angle que
ce chapitre sera abordé.
Rappelons d’abord les fonctions de l’huile dans un moteur :
-
Lubrifier les pièces internes du moteur
Réduire le frottement et l’usure
Maintenir une viscosité adéquate
Éviter la rouille et la corrosion
Résister aux chocs
Refroidir certaines composantes
S’écouler à basse température
Résister aux températures élevées
Dans un moteur, l’huile doit s’accommoder de ces tâches, mais toutes ne représentent pas les mêmes défis
technologiques. La Figure 19-1 présente la courbe de Stribeck. On peut voir que la courbe se divise en trois zones
distinctes.
La zone 1 représente le cas où il n’y a pas de film d’huile à proprement dit. La vitesse est basse alors que la charge
est élevée. On se retrouve dans une zone où la friction est importante et où les aspérités des surfaces peuvent
s’accrocher l’une à l’autre. On peut imaginer jusqu’à un certain point le travail des segments et des pistons.
La zone 2 représente le cas où un film se forme mais nous n’avons pas un support hydrodynamique parfait. Un cas
de lubrification de type mixte. C’est pas mal le cas que l’on retrouve pour les arbres à cames. Le film d’huile tente de
faire son travail mais les additifs antifrictions (Molybdène) et anti-usure (zinc) sont les bienvenues,
La zone 3 représente le cas où il y a un véritable film d’huile comme on retrouve sur les coussinets de moteurs. On
peut associer cela à de l’aquaplaning. Pour y arriver, il faut atteindre une certaine vitesse. La friction est basse et
150
l’usure minimale ou inexistante. Toutefois, l’huile subit un effort de cisaillement important avec un accroissement de
température. C’est une zone où la viscosité de l’huile est primordiale pour supporter la charge. Pour plus de détail,
consulter le chapitre 14 sur les coussinets.
Ces trois cas de chargement sont distincts, il devient extrêmement difficile de s’y retrouver dans la mesure où une
huile peut être mieux adaptée qu’une autre à notre moteur. Si par exemple on possède un gros moteur américain
modifié avec des rouleaux roulant sur les arbres à cames, le moteur demandera une bonne huile au niveau des
coussinets. Si par contre, un moteur similaire est avec une distribution normale au niveau des arbres à cames,
l’huile devra aussi être capable de prendre une grande pression causée par les ressorts de soupapes.
Figure 19-1, Courbe de Stribeck
Une huile à moteur est composée d’une huile de base (minérale ou synthétique) et aussi de plusieurs additifs
comme par exemple :
-
Antioxydant
Anti-usure
Anticorrosion
Anti-moussant
Détergent
La proportion de ces additifs varie d’une huile à l’autre et tient compte de l’application typique. Prenons par exemple
les additifs anti-moussants, les huiles pour moteur de moto en seront doté selon une proportion plus importante car
la transmission fonctionne dans l’huile et représente une source importante de génération de mousse. Encore ici,
pour une moto, il se peut que l’huile contienne un peu d’additif EP pour le contact entre les engrenages. Les anciens
moteurs de Mini ont eux aussi les engrenages de transmission dans le carter à l’huile du moteur, de ce fait, ils
gagnent à utiliser une huile de moto.
Une huile conçue par exemple pour les moteurs de course possèdera vraisemblablement moins d’additif détergent
compte tenu que la vie probable de l’huile est courte. Ceci est encore plus vrai pour les huiles synthétiques à base
d’ester car ce produit agit naturellement comme un bon détergent.
Avez-vous remarqué la liste exacte de ces additifs et leur proportion sur les contenants d’huile? Moi non plus parce
que ce n’est pas inscrit. Il faut donc supposer.
Et pourquoi doit-on faire la vidange d’huile? En gros, il y a deux phénomènes distincts, soit la dégradation des
agents ou la dégradation de l’huile elle-même.
L’huile elle-même peut se dégrader en fonction de son utilisation. Rappelons-nous que l’huile voit des charges
importantes, l’huile dans les coussinets se cisaille. Pour les arbres à cames, l’huile doit réduire au mieux l’usure
entre deux surfaces frottant l’une contre l’autre. Je n’ai jamais pu vérifier ces dires, mais je me suis déjà fait dire
qu’une huile synthétique pourrait durer éternellement si des additifs étaient ajoutés. Je sais toutefois qu’en condition
extrême, les molécules peuvent se briser. À un certain point, il devient facile par le touché de savoir si une huile a
subi une forte détérioration. Cela peut arriver aussi rapidement qu’en quelques heures. Et le fait d’ajouter
indéfiniment des additifs ferait en sorte de diminuer la proportion de vrai huile dans l’huile.
Et comment se retrouver dans tout cela? Je n’ai pas de réponse. Je crois que l’huile doit seulement faire son travail.
Pour mon automobile de tous les jours, je sais que l’huile n’aura pas une vie difficile, je crois sincèrement que les
changements d’huiles préconisés par les manufacturiers sont souvent beaucoup trop fréquents. C’est encore plus
151
vrai pour les voitures injections où le taux d’essence pouvant contaminer l’huile est plus faible qu’un moteur à
carburateur.
Pour une auto de course, ça devient bien différent. J’ai plus tendance à prendre une huile synthétique de milieu de
gamme et de faire des vidanges d’huile fréquentes. À chaque vidange d’huile, je me permets de faire un touché
pour sentir l’usure de l’huile, si l’huile roule bien entre mes doigts, cela indique que l’huile était encore en bonne
condition. Lorsque je sens mes empreintes digitales, ça m’indique que l’huile était à la fin de sa vie. Et si je vois que
l’huile se détériore trop rapidement, alors il faut penser à utiliser une huile de meilleure qualité. Et c’est là que
commencent les difficultés, car aucun fabricant d’huile ne donne des valeurs précises pouvant servir de
comparaison. Certains résultats de tests faits par des magazines donnaient des résultats vraiment aléatoires. En
général, plus c’est dispendieux, meilleure est la qualité, mais ce n’est pas un gage de succès. Les fabricants d’huile
vendent une image de performance. Motul produise certainement des huiles de très haute qualité, mais on paye
aussi pour tout le sponsoring qu’ils font dans le domaine de la course.
Évidemment, si vous avez des problèmes redondants de fiabilité pouvant être causé par l’huile, il faut alors passer à
une huile de qualité supérieure et croiser les doigts. Finalement, la dépense en huile est toujours assez faible si cela
évite le bris d’un moteur. Si je reviens sur ma tendance à utiliser une huile synthétique de milieu de gamme et de
faire une vidange plus fréquente. Dans le cas d’une auto que je possède où la puissance à passer est plus de 300
HP pour un moteur de 1.8 litres (moteur Toyota 2ZZ), l’expérience m’a démontré qu’une huile commune comme la
Mobil 1 synthétique ne peut prétendre à faire son travail adéquatement. J’ai déjà eu un moteur, qui en moins de 2
heures de fonctionnement, l’huile s’était dégradée au point de ne plus lubrifier efficacement les arbres à cames ainsi
que les pistons sur les parois de cylindre. Le moteur avait une vie difficile sur circuit avec un problème inhérent au
niveau de l’usure potentiel des arbres à came en plus de posséder des bielles très courtes augmentant la charge de
coté sur les pistons.
19.1 QUELQUES ANNECDOTES SUR L’HUILE
Lorsqu’en 1987 Yamaha est arrivé sur le marché avec sa FZR1000, une note avait été ajoutée à la dernière minute
au manuel signalant que la moto devait fonctionner avec de l’huile Motul 300V, et ce dès le départ. Il était clair que
cela était une improvisation ayant un but mystérieux. Après un certain temps, mon frère démonta son moteur (il
avait acheté la moto) et il était clair que le moteur avait un problème. En effet, les arbres à came étaient montés
beaucoup trop serrés dans la culasse. L’huile était là pour sauver cette situation de problème de conception ou de
qualité…
Ma première moto de route fut la Kawasaki GPZ750 turbo. Comme je ne connaissais pas grand-chose en huile à
cette époque, je fis confiance aux conseils du garage et je fis mon changement d’huile avec de la Bardahl. Un pépin
fit en sorte que je changeai l’huile après seulement 300 km. L’huile semblait totalement détruite… Une huile dans un
Turbo peut être une aventure éprouvante où les températures extrêmes peuvent entrainer une oxydation extrême…
À une certaine époque, je possédais une moto Suzuki GSX1100 1986. Cette moto avait un drôle de petit défaut : les
arbres à came avaient tendance à s’user. De plus, l’intervalle d’ajustement des soupapes devait se faire aux 4000
km. Je changeais l’huile souvent avec différentes marques (pas très fidèle), je pouvais voir que certaines huiles
semblaient mieux protéger les arbres à came que d’autres. Je me rappelle que les produits Castrol Syntec ne
m’impressionnaient vraiment pas!
Par expérience, le fait de « sauter » un moteur au niveau du vilebrequin peut devenir synonyme de gros problèmes
à venir. Lorsqu’au moteur brise au niveau des paliers alors que la pompe à l’huile fonctionne normalement, les
paliers s’usent et créent beaucoup de contaminant dans l’huile. Lorsque l’on refait le moteur, il devient presque
impossible de nettoyer tous les passages d’huile et être certain hors de tout doute qu’il n’y a aucun contaminant se
logeant à un endroit obscur dans les canalisations hydrauliques. Cela sans compter que si l’auto possède des
radiateurs pour l’huile, le risque d’avoir des contaminants devient encore plus grand. Idéalement, on changerait tout
avec un moteur qui n’a jamais brisé, et on changerait toutes les composantes connexes. Allo les dollars! Afin de
nettoyer le circuit hydraulique extérieur au moteur, il est possible de se bricoler une unité de filtration d’huile comme
présentée à la Figure 19-2. Il peut être judicieux de faire circuler l’huile dans le sens inverse du débit normal
question de déloger les contaminants fixés dans les radiateurs.
Enfin, lorsque l’on démarre un moteur qui a brisé sur le vilebrequin, il peut être avantageux de faire une vidange
d’huile après quelques minutes de fonctionnement, et même changer rapidement les coussinets de bielles.
152
L’unité de filtration montrée (faite maison
à la façon M. Bricole… moi) comprend
une pompe, deux filtres et une entrée
d’air comprimé. Le fonctionnement de
cette unité est la suivante : la pompe
prend l’huile dans un petit réservoir
séparé (genre bidon d’essence remplit
d’huile propre) puis l’achemine à un filtre.
L’huile s’en va ensuite dans le circuit
d’huile de l’auto puis revient en passant
dans un deuxième filtre avant de
retourner au réservoir. L’entrée d’air
comprimée sert quant à elle à créer un
débit extrêmement important afin de faire
décoller les contaminants dans le circuit.
Le tout fixé à un morceau de bois
improvisé. De toute beauté!
Figure 19-2, Unité de filtration maison
19.2 HUILE MINÉRAL OU SYNTHÉTIQUE
Précédemment, il était mentionné que l’huile contient des additifs, mais le mélange d’huile que l’on achète contient
essentiellement une base d’huile. Comme cela est surprenant! On retrouve dans le domaine automobile des bases
qui sont soit minéral ou encore synthétique. Sachant que dans bien des cas, les produits synthétiques sont issus du
pétrole, on peut se poser alors la différence entre ces deux bases.
Mais tout d’abord, il faut noter que les huiles automobiles sont toujours des produits de qualité exceptionnelle. Ce
sont des produits spécialisés.
Une base minérale est produite à partir du pétrole et comme tout produit pétrolier, l’huile est composée
d’hydrocarbure. Un hydrocarbure est une chaine de carbone composé d’élément C nHm. La longueur des
hydrocarbures peut varier et n’est pas uniforme dans l’huile comme la nature l’a bien voulue.
La définition d’une huile synthétique n’est pas claire et engendre donc deux grandes familles. En effet, à la base,
une huile synthétique est le résultat d’une certaine synthèse. La famille la plus commune est basée sur une huile
minérale où la longueur des hydrocarbures utilisés est constante et ayant des propriétés optimales. C’est comme
dire une huile minérale haut de gamme. La longueur constante des hydrocarbures est obtenue par manipulation
chimique ou par craquage de chaine plus longue. Cela explique pourquoi il est possible d’avoir des huiles
synthétiques à prix abordables.
La famille des huiles synthétiques haut de gamme est très différente de l’huile synthétique citée précédemment. Je
ne suis pas chimiste du tout, alors, excusez-moi d’avance si mon explication n’est pas clair. Une huile vraiment
100% synthétique de haut de gamme est possiblement un mélange d’huile groupe 4 (PAO) et d’huile groupe 5 (voir
Table 19-3). Probablement mais rien n’empêche de faire un mélange avec de l’huile groupe 3!!! Enfin, comme client,
nous ne sommes pas en mesure de savoir les proportions de telle ou telle huile dans la recette, et ce sans parler de
la qualité des additifs.
Dans une huile synthétique de groupe 4 et 5, la chaine d’hydrocarbure est remplacé par un composé plus complexe
comme par exemple une base de type ester. L’ester étant le résultat de la combinaison chimique d’un acide avec un
alcool. L’origine des huiles esters remonte aux années 1930 et elles sont utilisées dans les moteurs d’avions à la fin
de la deuxième guerre mondiale. Dans certains cas, une huile à base ester pourra avoir une odeur agréable et
surprenante! Comme c’est le cas avec la Motul 300V ! Les molécules de ces huiles sont plus complexes et plus
onéreuses à fabriquer. Toutes les huiles à base d’ester n’utilisent pas forcément les mêmes molécules, l’ester étant
une famille de molécule. Comme toute bonne huile de synthèse, la constance des molécules est un gage de qualité.
Motul indique que la Motul 300V utilise la technologie double ester. Ceci indique donc que l’huile possède
possiblement deux types de molécule afin d’obtenir des caractéristiques recherchées. Encore chez Motul, d’autres
produits comme l’huile 8100 sont indiqués comme étant 100% synthétique, et pourtant, la différence de prix entre la
300V et la 8100 est notable. Il y a bien entendu les notions de marketing qui troublent les cartes, mais il demeure
que la recette est bien différente ainsi que l’odeur !
153
Marque
Type
Hydrocarbure
(Groupe 3)
PAO
(Groupe 4)
?
Ester
(Groupe 5)
?
AMSOIL
DOMINATOR
CASTROL
SYNTEC
X
GULF
COMPETITION
X
LIQUI MOLY
?
?
?
MOBIL
MOBIL 1
X
MOTUL
300V
X
REDLINE
general
X
REDLINE
30WT, 40WT …
X (polyolester)
ROYAL PURPLE
XPR
?
? (polyolester)
VALVOLINE
?
?
?
Table 19-1, Tableau indiquant la base d’huile selon un pourcentage inconnu utilisé pour différents
produits indiqués comme étant synthétiques, basé sur les données des manufacturiers. Les huiles
groupes 4 et 5 ne sont jamais pures.
Ce n’est pas facile de savoir le type de base qui est utilisé dans les huiles synthétiques. J’ai tendance à penser que
lorsque la base est de type ester ou PAO, les manufacturiers l’indiquent avec fierté, et dans ce sens, lorsque ce
n’est indiqué, c’est que la base est de type hydrocarbure (groupe 3). Dans le tableau Table 19-1, lorsqu’il y a un
point d’interrogation, je n’ai pas été en mesure d’avoir la conformation de la base.
Dans une huile, la qualité de l’huile en elle-même est importante mais tout antant la qualité des additifs. Ainsi, même
avec une base qui serait identique, deux huiles peuvent être de qualité différente. Le cas de LIQUI MOLY est très
particulier, en effet, le manufacturier prend la peine de faire un beau pamphlet technique qui décrit chaque type
d’huile (sans séparer les groupes 4 et 5), mais il ne m’a pas été possible de trouver dans la documentation
technique des données sur la base d’huile. Néanmoins, le sérieux de leurs documents laisse penser que l’huile
synthétique qu’il produise n’est pas de groupe 3.
Les principaux défaits de l’huile minérale sont :
-
La présence de cire qui conduise à une mauvaise viscosité à froid ;
Une sensibilité à l’oxydation, ce qui peut conduire à la formation de boue et un taux élevé d’acidité ;
Une viscosité variant beaucoup avec la température qui peut conduire à une perte excessive de sa
viscosité à haute température ;
On obtient un bon VI avec l’emploi de polymères ;
Aux alentours de 320°C, l’huile se décompose et commence à produire de la suie.
Avantages
Désavantages
1
Points d’éclair plus élevé
Coût plus élevé
2
Point d’écoulement plus bas
Peut affecter les joints d’étanchéité
Indice de viscosité élevé
L’ester se dégrade sous la présence d’eau
Friction plus faible
Plus stable face à l’oxydation
Détergeant naturel
Résistance au cisaillement plus élevé
Molécules de dimension constante
S’utilise dans une plus grande plage de température
Pas ou peu de cire
Moins de polymère servant à améliorer l’indice de
viscosité
1
Le point éclair représente la température minimum à laquelle les vapeurs de l’huile s’enflamment momentanément
à l’approche d’une flamme
2
Le point d’écoulement représente est la température à laquelle une huile cesse de couler sans agitation en
refroidissement la température dans des conditions normalisés
Table 19-2, Liste des avantages et désavantages de l’huile synthétique
19.3 GROUPES D’HUILES
Les huiles sont divisées en différents groupes en fonction de la base employée. Le tableau suivant présente les
différents groupes. Vous pouvez remarquer que les définitions sont parfois surprenantes. De ce fait, il devient
compliqué de comprendre la définition exacte d’une huile semi-synthétique (il n’y a pas de norme sur le minimum
154
requis d’huile synthétique dans l’huile pour pouvoir l’appeler semi-synthétique). En effet, puisque l’huile de groupe 3
est communément appelé synthétique et que ce type est relativement économique, cela voudrait dire que l’on peut
prendre cette huile et la mélanger à une huile de groupe 1 ou 2. Ici, il faut donc regarder comment le produit se
classe dans la gamme du fabriquant. J’ose imaginer qu’une huile Motul semi-synthétique est un mélange d’une huile
de groupe 2 ou 3 avec une huile de groupe 5. Toutefois, pour Castrol, il serait plus probable de retrouver un
mélange d’une huile de groupe 3 avec des produits de groupe 1 ou 2, et possiblement avec un peu d’additif du
groupe 5. Allez savoir! Nous sommes dans le merveilleux monde du marketing à son meilleur! On ne trouve pas
cette information sur les bidons d’huile.
Groupe
Base
Détails
Base d’huile dont le raffinement est le plus grossier pour des applications peu
exigeante. C’est l’huile la plus commune que l’on retrouve sur le marché mais qui
perd du terrain en raison du trop haut niveau d’impureté. La grosseur des
1
Hydrocarbure
molécules est très variable et afin d’ajuster la viscosité de l’huile, on retrouve des
produits comme de la cire ou de la paraffine. Ce sont ces derniers produits qui
permettent d’augmenter la viscosité mais qui causent un mauvais point
2
d’écoulement .
L’huile minérale que l’on retrouve de plus en plus sur le marché à mesure que
l’huile de groupe 1 perd du terrain. Le raffinement est plus poussé que pour l’huile
de groupe 1 pour un produit plus propre. Allant de qualité moyenne à bonne pour
1
ce qui est de la volatilité, plus stable face à l’oxydation et du point d’éclair .
Hydrocarbure de
2
Toutefois, les propriétés sont très moyennes pour ce qui est du point d’écoulement,
qualité régulière
de la viscosité à froid et de la capacité à prendre des pressions extrêmes. Contient
moins de cire et de paraffine que l’huile de groupe 1. Avec un tel résultat, il est
aussi plus facile de fabriquer des huiles performantes à basse viscosité pour
augmenter l’efficacité énergétique des moteurs.
L’huile la plus commune qui est vendue sous le nom d’huile synthétique et qui est
obtenu par craquage de l’huile minérale. La grosseur des molécules est
relativement constante en fonction de la qualité du produit souhaitée du producteur.
Hydrocarbure de
La viscosité est obtenue en ajustant la grosseur des molécules. De ce fait, il n’y a
3
synthèse,
normalement pas d’ajout de produits comme la cire ou de la paraffine, ce qui se
Synthétique
traduit par une amélioration importante du point d’écoulement. C’est une huile qui
prend un essor au niveau du marché depuis le début des années 2000 (suite à la
victoire de Castrol de pouvoir indiquer que l’huile est synthétique sur l’emballage).
PAO signifie Polyalphaolefins (on peut trouver aussi le nom olefin oligomers). Cette
huile est une véritable huile synthétique obtenue par ingénierie. Elle est stable,
avec des molécules constantes et avec plusieurs embranchements (plus ramassée
sur elle-même). Plusieurs fabriquant produisant ce type d’huile dans le passé se
sont tournés vers les huiles de groupe 3 qui offrent un rendement similaire dans
4
Synthétique PAO
des applications normales en étant plus économique à produire. Elle possède par
nature un VI élevé. Elles sont mauvaises pour dissoudre les additifs, en plus d’avoir
tendance à faire rapetisser les joints d’étanchéités. C’est pourquoi on retrouvera
souvent de l’huile ester qui est soluble dans le PAO pour obtenir une huile
équilibrée.
Ce groupe comprend beaucoup de variante de produits qui sont souvent utilisés
comme additifs que l’on ajoute dans les huiles des groupes précédents. Il y a
néanmoins des huiles qui utilisent ces produits dans leur base avec des proportions
plus ou moins importante (de l’ordre de 30%). Compte tenu que les molécules sont
issues d’une ingénierie de pointe (et possiblement spécifique à chaque entreprise),
Synthétique
le produit donne des performances stables et tel que souhaitées. L’ester, par
5
incluant diester,
exemple, est une huile performante en plus d’être un puissant solvant, ce qui lui
polyolester
confère une capacité incroyable de nettoyage de votre moteur. Une caractéristique
étonnante des huiles esters est qu’elles sont en général biodégradables. Elles
permettent une bonne dissolution des additifs, c’est pourquoi elles sont parfois
utilisées comme élément avec d’autres bases d’huiles. Naturellement, elles ont
tendances à faire gonfler les joints d’étanchéités.
1
Le point éclair représente la température minimum à laquelle les vapeurs de l’huile s’enflamment momentanément
à l’approche d’une flamme
2
Le point d’écoulement représente est la température à laquelle une huile cesse de couler sans agitation en
refroidissement la température dans des conditions normalisés
Table 19-3, Liste des groupes d’huiles automobiles
155
?
1
?
SL
SL
Non
Non
SN
SN
Non
Non
Non
Non
Non
SN
Viscosité à
40 °C (cSt)
71.7
126.3
86.1
133.8
50
113
63.2
125
90.9
122.9
72
98
116
93
Viscosité à
100 °C (cSt)
11.4
18
14.2
20.2
9.1
16.3
10.1
18
13.9
18.1
10.5
13.8
16.8
14.6
Indice de
viscosité (VI)
153
158
171
175
146
160
156
164
131
131
158
164
Point
éclair °C
240
238
>200
>200
186
149
232
232
230
238
270
270
272
248
NSL (5W30)
Non
59
59
157
238
Valvoline
NSL (10W30)
Non
60.8
60.8
156
248
Valvoline
NSL (20W50)
Non
124.4
124.4
153
260
Marque
Type
API
AMSOIL
AMSOIL
Gulf
Gulf
JoeGibbs
JoeGibbs
Mobil
Mobil
Motul
Motul
Redline
Redline
Redline
Redline
Dominator 10W30
Dominator 15W50
Competition 10W40
Competition 15W50
XP1 (5W20)
XP6 (15W50)
Mobil 1 10W30
Mobil 1 15W50
300V 10W40
300V 15W50
30WT (10W30)
40WT (15W40)
50WT (15W50)
10W40
Valvoline
1
2
Zinc
ppm
?
?
?
?
3
?
3
?
?
?
?
?
2400
2400
2400
?
.14%
poids
.14%
poids
.14%
poids
1
: Probablement pas homologué API
: L’indication du contenu en zinc n’est pas un indicatif absolue de la qualité de l’huile, mais lorsque une forte
présence de zinc est présente, il y a de fortes chances que l’on retrouve aussi une concentration importante de
Phosphore et de Souffre
3
: Les données qui sont dans leur documentation combine le zinc et le souffre à environ 5800 ppm
Table 19-4, Liste de caractéristiques de différents produits, basés sur les données des manufacturiers
2
19.4 GRADE DE VISCOSITÉ
La notion du grade de viscosité est assez complexe à expliquer et ce qui sous-jacent sa définition est plus
compliqué que ce qui y parait. Dans un premier temps, il faut comprendre que lorsqu’on voit une huile 10W40, ces
chiffres sont des indicateurs qui sont basées sur une norme. Au cours des années, les normes ont changées, et ce
que vous trouverez ici-bas est conforme à la norme applicable en 2012. Une fois que l’on comprend ce que signifie
ce code, il faut ensuite comprendre comment les manufacturiers arrivent à faire ses huiles.
La viscosité se défini selon deux approches différentes. La plus commune est la viscosité cinématique (l’unité la plus
commune est le centistoke, cSt) (voir 19.4.1), mais on retrouve aussi la viscosité dynamique (l’unité la plus
commune est le centipoise, cP) (voir 19.4.2).
La viscosité est particulièrement importante, et au-delà de la qualité de l’huile, la viscosité procure la capacité
portante de l’huile, soit de prendre la charge sans qu’il y ait de contact métal à métal. Plus l’huile est épaisse et plus
elle est apte à supporter une charge. Par contre, une huile épaisse limite le débit et risque plus de souffrir des efforts
de cisaillement.
On peut se représenter la viscosité comme étant le niveau de difficulté que les molécules éprouvent à glisser une
sur l’autre. Plus les molécules sont grosses (imaginons de grosses boules dans un jeu pour enfant) et plus les
déplacer l’une par rapport à l’autre est difficile. À l’autre extrême, si l’on prend du sable de plage, c’est facile de les
déplacer. Ainsi, la viscosité de l’huile est le résultat de la grosseur des molécules constituant l’huile. En ce sens, la
viscosité de l’huile est influencée par la pression mais cela est notable seulement aux hautes pressions que l’on ne
retrouve pas vraiment même au niveau des paliers. Dans l’huile automobile, il y a bien entendu différents éléments
qui modifient la viscosité comme de la cire et des polymères.
De nos jours, les voitures demandent de plus en plus des huiles avec des grades faibles de viscosité. Une huile plus
légère permet d’avoir moins de friction. De plus, les moteurs ont des jeux plus serrés que jamais au niveau des
coussinets alors que les régimes moteurs croissent. Des jeux réduits permettent d’avoir des moteurs qui vibrent
moins. Dans le cas des pistons, les jeux ont aussi réduits afin d’aider à passer les normes anti-pollution.
156
19.4.1 VISCOSITÉ CINÉMATIQUE
C'est la mesure la plus employée qui est basé sur une norme ASTM. Le résultat est basé sur le temps (en seconde)
nécessaire pour que 60 ml d’huile passent à travers d’un orifice de 17.6 mm de diamètre et 12.25 mm de long. La
mesure se fait avec un viscosimètre Saybolt. En d’autres termes, c’est le rapport entre la viscosité absolue et la
masse spécifique, car la masse de l’huile affecte la pression de passage. Toutefois, pour les huiles normales en
automobile, la masse change peu, donc, la viscosité mesurée donne un bon indice sur la fluidité d’une huile par
rapport à une autre.
180 

Z k   0.22t 
 , viscosité en centistoke (cSt)
t 

Mesurée à l'aide d'un viscosimètre selon la norme ASTM D-445 (ASTM = American Society for Testing and
Materials). L'unité de mesure de viscosité cinématique est le centistoke (cSt). Il y a d’autres unités utilisées mais
moins communes dans le domaine automobile :
-
SSU: Second Saybolt Universel (Américain),
SSF: Second Saybolt Furol (Américain) est utilisée pour les huiles de haute viscosité,
Engler: Mesure de la viscosité à 50o C, Européen,
Redwood # 1 et # 2: Britannique.
Sur une fiche technique d’une huile, on retrouvera la viscosité mesurée à 40°C et à 100°C. Ces températures
définissent aussi la courbe de viscosité pour une huile monograde. En pratique, et comme tout le monde le sait, une
huile devient de plus en plus liquide (donc avec moins de viscosité) lorsque la température augmente. En ce sens,
une huile monograde se défini comme une huile dont la viscosité se comporte selon une variation typique d’une
huile minérale de groupe 1 et sans un million d’additifs. Le changement de viscosité en fonction de la température
n’est pas souhaité mais représente une limite de la technologie. Idéalement, on gagnerait dans la plupart des
applications à avoir une huile dont la viscosité serait constante peu importe la température. À défaut d’y arriver, le
développement des huiles multigrade a permis de limiter cette variation de viscosité.
Viscosité SAE
0W
5W
10W
15W
20W
25W
Viscosité au démarrage à
Viscosité de pompage à froid
Viscosité cinématique
froid (Cp)
maximum (cP)
minimum à 100°C (cSt)
6,200 à -35°C
60,000 à -40°C
3.8
6,600 à -30°C
60,000 à -35°C
3.8
7,000 à -25°C
60,000 à -30°C
4.1
7,000 à -20°C
60,000 à -25°C
5.6
9,500 à -15°C
60,000 à -20°C
5.6
13,000 à -10°C
60,000 à -15°C
9.3
Table 19-5, Viscosité pour les huiles à moteurs W, SAE J-300
La codification d’une huile multigrade est faite en regard d’une norme. Lorsque l’on regarde une huile indiquée
comme étant 10W40 par exemple, ce code nous indique la mesure de la viscosité selon deux températures
distinctes. En effet, le « 10W » indique que l’huile répond à un standard en termes de viscosité selon des
températures froides. Selon la Table 19-5, « 10W » signifie que l’huile doit posséder une viscosité de 7000 cSt à 25°C. Le « 40 » réfère à une viscosité référentielle à 100°C, à la manière d’une huile monograde. Selon la Table
19-6, « 40 » signifie que l’huile doit posséder une viscosité entre 12.5 et 16.3 cSt à 100°C.
La qualité de l’huile n’est pas définie selon la viscosité d’une huile en aucun cas. Si un fabriquant d’huile fabrique
une huile 10W40 au minimum de l’intervalle de l’échelle de viscosité, cela n’indique pas que l’huile est de meilleure
ou de moins bonne qualité qu’une autre qui serait au maximum de l’intervalle de l’échelle.
La Figure 19-3 montre des droites approximatives de viscosité en fonction de la température. Notez que l’échelle de
viscosité est logarithmique. Si l’échelle était standard, on se retrouverait avec une courbe. En vérité, les huiles multigrades ne suivent pas une règle parfaitement une logique logarithmique.
Si l’on regarde les spécifications techniques du manufacturier d’une huile 10W40, on retrouvera donc la viscosité de
l’huile à 40°C et 100°C. Le fait que l’huile soit une 10W nous donne aussi un troisième point, soit sa viscosité dans
ce cas à -25°C. Avec ces trois points, on peut donc établir une courbe plus précise de la variation de viscosité d’une
huile en fonction de la température. On y reviendra dans la section 19.4.3.
157
Viscosité SAE
20
30
40
40
50
60
Viscosité cinématique
High shear-rate viscosity
Intervalle de viscosité
minimum à 100°C (cSt)
Minimum à 150°C (cP)
5.6 à < 9.3
60
2.6
9.3 à < 12.5
34
2.9
12.5 à < 16.3
30
3.5 (0W, 5W, 10W)
12.5 à < 16.3
30
3.7 (0W, 5W, 10W)
16.3 à < 21.9
34
3.7
21.9 à < 26.1
20
3.7
Table 19-6, Viscosité pour les huiles à moteurs, SAE J-300
Figure 19-3, Courbes de viscosité, abscisse en °C et ordonné en cSt, données approximatives
19.4.2 VISCOSITÉ DYNAMIQUE
La viscosité dynamique (ou absolue) est la force requise pour déplacer une surface plane de 1 cm 2 sur une autre
surface plane, celle-ci immobile, au taux de 1 cm/sec., alors que les deux surfaces sont séparées par une couche
de liquide de 1 cm d’épaisseur. Elle mesure donc la force tangentielle nécessaire pour faire glisser une lame de
fluide par rapport à une autre qui lui est parallèle. En d’autre mot, c’est une notion qui fait intervenir la capacité
d’aquaplaning. C’est en d’autres termes la résistance aux cisaillements. Bien qu’utile, les spécifications des huiles
automobiles ne renseignent généralement pas sur cette mesure. Mais il est possible de la calculer basée sur la
viscosité en centipoise et de la densité de l’huile de la façon suivante :
Z  Zk 
158
Où :
Z = Viscosité dynamique, cP
Zk= Viscosité cinématique, cSt
Ρ = densité, de l’ordre de 0.86 pour l’huile, de 1 pour l’eau par définition
Dans le système CGS, l'unité de mesure est le poise. Pour des raisons de commodité, on utilise plutôt le centipoise
(cP). On utilisera généralement un viscosimètre rotatif pour cette mesure. Il sera surtout utile pour mesurer la
viscosité sous des tensions de cisaillement assez élevées et il traduira la facilité avec laquelle on peut lancer un
moteur à combustion interne sous des conditions de basse température.
19.4.3 VISCOSITÉ HTHS
On retrouvera parfois l’indication de la viscosité selon HTHS, qui signifie Haute température – Haut Cisaillement
(High temp, high shear). Cette viscosité est mesurée en centipoise à 150°C. C’est la capacité de l’huile à assurer
que le film d’huile dans les coussinets est apte à prendre des charges importantes avec un certain taux de
cisaillement. Plus il est élevé et mieux l’huile est apte à faire son travail. Encore une fois, lorsque l’on parle de
normes, cela réfère à des conditions de charge qui sont plus typiques d’un moteur d’origine que d’un moteur très
modifié.
19.4.4 INDICE DE VISCOSITÉ
La Figure 19-3 nous montrait la variation de la viscosité de l’huile selon une droite parfaite selon une échelle
logarithmique. Si l’on revient encore une fois sur les spécifications d’une huile 10W40, on retrouve une viscosité de
l’huile à 40°C et 100°C. Le fait que l’huile soit une 10W nous donne aussi un troisième point, soit sa viscosité dans
ce cas à -25°C. Avec ces trois points, on peut donc établir une courbe plus précise de la variation de viscosité d’une
huile en fonction de la température un peu comme représenté à la Figure 19-4
Figure 19-4, Courbe de viscosité, abscisse en °C et ordonné en cSt,
données approximatives
L’indice de viscosité (VI) est une caractéristique découlant de la courbe de viscosité de l’huile entre 40 et 100°C. Un
spécialiste m’a clairement indiqué que les valeurs indiquées sont parfois douteuses. De plus, il faut se questionner à
savoir l’utilité propre de cette valeur. Compte tenu qu’elle est basée à partir des températures de 40°C et 100°C, on
serait plus intéressé d’avoir le VI basé sur des températures entre 90°C et 130°C. Ces températures sont plus
typiques des températures d’utilisation des huiles sur un moteur de course en circuit routier.
C’est un peu comme si c’était la pente de viscosité entre deux températures. Ces notions sont sur huiles étalons qui
représente un VI de 0 (naphtalène, une mauvaise huile) et une autre ayant un VI de 100 (une paraffine de
Pennsylvanie).
159
Compte tenu que la technologie des huiles a avancé grandement depuis l’établissement du critère VI, on se
retrouve à avoir des indices supérieurs à 100.
19.4.5 LE CHOIX DE VISCOSITÉ
Évidemment nous n’avons pas un laboratoire d’analyse de l’huile dans nos autos, ce qui serait bien intéressant! J’ai
tendance à y aller avec modération.
La Figure 19-5Figure 1-1 présente des courbes de viscosité pour différents grade d’huile Motul 300V. Ces courbes
sont approximatives et basées sur les données du manufacturier pour 40°C et 100°C, en considérant que la
viscosité suit parfaitement une règle logarithmique, et par extrapolation, on obtient une courbe pour les
températures plus élevés qui suit la forme mathématique (facilement déterminable par Excel avec les courbes de
tendance) :
Viscosité = A e
B*Température
Dans un premier temps, si le moteur (avec les jeux d’origine) a été prévu pour fonctionner avec une température
d’huile normalement près de 100°C avec une huile 5W30 et que l’huile atteint une température de 120°C sur circuit,
le premier pas est de tenter de prendre une huile dont l’on retrouve la même viscosité que prévu mais pour la
nouvelle température. Dans ce cas, on serait tenté de prendre la 15W50. On comprend aussi l’importance de
maintenir la température d’huile la plus près de ce qui est prévu, car la viscosité descend rapidement à mesure que
la température augmente. Mais il faut aussi tenir d’autres facteurs. Dans mon moteur Toyota 2ZZ fonctionnant avec
les jeux d’origines avec plus du double de puissance, je me limite à prendre de l’huile 10W40.
Figure 19-5, Charte de viscosité des différents grades d’huile Motul 300V, par extrapolation, hypothèse
parfaitement linéaire
Ensuite, si la charge sur le moteur est augmentée (moteur modifié!), on peut être tenté d’augmenter la viscosité pour
améliorer la charge portante des coussinets. Là ça devient pas mal plus compliqué, il en a été question dans le
chapitre sur les coussinets. Mais avec les jeux d’origine, il peut devenir dangereux d’augmenter à outrance le grade
de viscosité car le risque de briser les molécules d’huile (et les molécules d’améliorateur de VI) devient plus élevé.
On peut se retrouver avec le phénomène qu’en désirant faire mieux on se retrouve avec pire. Ce n’est pas pour rien
que les moteurs modifiés demandent des huiles de qualité que l’on change régulièrement. Une huile plus épaisse
entraine une friction plus grande donc moins de puissance (de l’ordre de 2%). Enfin, une plus grande viscosité
entraine moins de débit au niveau des coussinets, et moins de débit entraine une augmentation de température d’où
une perte de viscosité!!!
160
Enfin, si j’ai le choix entre de la 0W40 et de la 15W40, je prendrais la 15W40 (à moins de la faire de la course
l’hiver), question que l’huile ait le moins possible d’améliorateur de VI. Mais avant de pousser le moteur, ce sera
mieux d’attendre que la température monte un peu bien entendu.
Encore une fois, il est important de rappeler l’importance de prévoir un système de refroidissement de l’huile afin de
maintenir l’huile à une température la plus constante possible à l’intérieur des paramètres désirés. La température
de l’huile devrait se retrouver aux alentours de 110°C, et au moins 85°C.
19.5 ADHÉRENCE
L’huile se doit d’adhérer à la surface. Les composantes d’un moteur, même lorsque polies, ne sont pas parfaitement
régulière. L’huile se doit de pénétrer dans ces interstices et de créer un film d’huile adhérent. Certains additifs
comme le molybdène et le zinc adhèrent efficacement aux surfaces. De plus, l’huile en étant bien ancré à la surface
devient une surface très glissante pour les autres molécules d’huiles.
Les esters possèdent une structure moléculaire ayant une certaine polarité. Cette polarité entraîne une attraction
des molécules d'ester par des surfaces métalliques positivement chargées. Par conséquent, les molécules ont
tendance à s'aligner sur la surface métallique, créant un film qui nécessite de l'énergie supplémentaire (charge) pour
y pénétrer. Le résultat est un film fort qui se traduit par un pouvoir lubrifiant élevé et une faible consommation
d'énergie. 19.6 EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR L’HUILE
En dehors de la variation de viscosité liée à la variation de température, cette dernière a d’autres effets pervers. Audessus d’une certaine température, l’huile se volatilise rapidement en formant du vernis et du goudron tout en
perdant ses aptitudes de lubrification. L’huile minérale est beaucoup plus sujette à cela que les huiles purement
synthétiques (groupe 4 et 5) car ces dernières sont aptes à supporter des températures beaucoup plus élevées. Il
faut rappeler que l’huile verra une exposition aux hautes températures aux niveaux des segments.
Lorsqu’un moteur produit un maximum de puissance, soit à haut régime, l’huile est projetée sous les pistons et les
parois des cylindres sont aspergées d’huile. Les segments exécutent plusieurs tâches dont le transfert de chaleur
entre le piston et les cylindres (refroidit par le circuit de refroidissement), et évidemment ils doivent racler l’huile au
mieux pour limiter l’intrusion de l’huile dans la chambre de combustion. Ainsi, à puissance maximale, les segments
sont chauds (plus de 200°C, d’où le besoin d’avoir un point éclair élevé), l’huile perd de sa viscosité, et les segments
ont de plus en plus de difficulté à ne pas faire d’aquaplaning. D’autant plus que les moteurs modernes possèdent
des segments minces pour réduire la friction. Je me rappelle des applications sévères en moto où les moteurs
pouvaient consommer plus d’un litre d’huile pour seulement 250 km de trajet. Ces mêmes moteurs en opération
normale ne consommaient pas vraiment d’huile.
Enfin, les températures élevées fait en sorte d’accélérer beaucoup l’oxydation de l’huile, modifiant les molécules.
19.7 LES NORMES
Les huiles automobiles sont régies par des normes. Dans le monde, il y a plusieurs normes comme par exemple les
standards « ILSAC » et « API ». Mais il arrive bien souvent que les manufacturiers automobiles possèdent leurs
propres normes. C’est un grand monde que ces normes et loin de moi l’idée dans les pages suivantes de vouloir
faire un tour complet. On se limitera à quelques normes populaires dont l’API. Le but de ses normes est de
s’assurer d’un niveau de qualité minimal de l’huile, mais aussi de pouvoir rencontrer les normes anti-pollution. Une
quantité d’huile dans le moteur se retrouve éventuellement dans le cycle de combustion affectant la pollution émise
par les moteurs. Le fait de rencontrer une nouvelle norme devrait toujours permettre aux moteurs plus anciens de
pouvoir fonctionner avec les nouvelles. En réalité, il se peut que ce ne soit pas une vérité absolue comme nous le
verrons.
On voit souvent sur les contenants d’huiles qu’elles dépassent les normes. Ceci est facile à comprendre dans la
mesure où les normes sont un indicatif sur la qualité minimale, mais qu’il est facile de les dépasser lorsque l’on y
met le prix.
19.7.1 NORMES API
161
La norme API (American Petroleum Institute) se sépare en deux classifications, soit « S » for les voitures à allumage
par bougie (“Spark ingintion”), et « C » pour les moteurs avec allumage par compression (« compression ignition »
comme les diésel). On retrouve un symbole sur le contenant d’huile indiquant le statu de l’huile en regard de la
norme API.
19.7.1.1 NORMES API « S »
Toutes les huiles “S” à partir de “SH” ont une limite sur le contenu en phosphore à cause que ce produit est un
ennemi des catalyseurs pour les huiles xW-20 et xW30. Le phosphore représentait un bon agent anti-usure que l’on
retrouvait sous la forme de zinc dithiophosphate (ZDDP). Depuis, à chaque évolution de la norme, la limite en
phosphore et en zinc diminue sans cesse. C’est là qu’entre en jeu la notion d’équivalence entre les nouvelles huiles
versus les anciennes. En effet, les moteurs dont les arbres à cames poussent les poussoirs avec glissement (donc
beaucoup de moteur!) demande une protection particulière anti-usure à ce niveau si les surfaces ne sont pas assez
dures, ce que les huiles plus récentes peuvent compromettre. C’est encore plus vrai sur les moteurs de
performance où l’on retrouve des arbres à cames agressifs ainsi que ressorts de soupape fermes. La norme indique
bien un minimum de résistance aux frottements, mais la norme est plus spécifique pour des efforts modérés de
frottement.
Si l’on prend par exemple une huile « SG », la norme indique que le niveau de phosphore et de zinc doit être au
plus 1200 ppm (parties par million), alors que la limite est de 600 pour les huiles « SM ». On retrouve une certaine
quantité de ZDDP dans les huiles. Mais dans certains cas, une quantité égale de ZDDP conduira un grade d’huile
(plus visqueuse) à passer la norme « SN » alors qu’une huile avec un grade de viscosité inférieure se limitera à
passer la norme « SH ». Les moteurs avec les arbres à cames poussant les soupapes via des rouleaux sont mieux
adaptés aux nouvelles huiles. On comprend que la réduction du taux de ZDDP est un compromis entre le facteur
pollution et la résistance d’un moteur à l’usure. Toutefois, j’ose dire que les moteurs actuels n’ont jamais été aussi
fiables du point de vue mécanique.
«S»
Status
SN
Introduit en
2010
SM
Introduit en
2004
SL
SJ
Introduit en
2001
Introduit en
1997
SH
Obsolète
SG
SF
SE
SD
SC
SB
Obsolète
Obsolète
Obsolète
Obsolète
Obsolète
Obsolète
SA
Obsolète
Détails
Conçu pour améliorer la protection comme les dépôts sur les pistons, meilleur contrôle de
la boue, et une meilleure compatibilité des joints d’étanchéité. Permet une protection pour
les moteurs fonctionnant avec du carburant E85 contenant de l’éthanol.
Conçu pour améliorer la résistance à l’oxydation, aux dépôts, la protection à l’usure et une
meilleure résistance à basse température. Peut être utilisé dans les applications où SJ et
SL étaient recommandés. Les huiles SM dont il est indiqué « haute efficacité » contienne
du molybdène. Le molybdène n’est pas très souhaitable pour les embrayages humides
des motos. Limite de zinc à 600 ppm avec un maximum de 800 ppm.
Limite de zinc 850 ppm.
Possiblement moins résistante aux températures comme les turbos que l’huile SH. Limite
de zinc 1000 ppm.
Pour les moteurs 1996 et moins. Ces huiles sont mieux adaptées que les précédentes à
une utilisation avec moteurs turbo (très populaire à cette époque) en offrant une protection
accrue aux dépôts. Pas de limitation pour le zinc ou le phosphore, souvent avec 1600
ppm.
Pour les moteurs 1993 et moins
Pour les moteurs 1988 et moins
Pour les moteurs 1979 et moins. Ne pas utiliser dur les moteurs plus récents.
Pour les anciens moteurs. Ne pas utiliser dur les moteurs plus récents.
Pour les anciens moteurs où il n’y avait pas de recommandations. Ne pas utiliser dur les
moteurs plus récents.
Table 19-7, Norme API “S”
19.7.1.2 NORMES API « C »
Les huiles API conforme aux exigences « C » sont spécialement adaptées aux moteurs diésels. Compte tenu que
ce manuel est spécifique aux moteurs à essence, on ne s’attardera pas davantage sur le sujet.
162
19.7.2 NORMES JASO
Cette norme est spécifique au monde de la moto où bien souvent les embrayages sont dans l’huile. En ce sens,
l’huile doit permettre de maintenir un niveau de friction adéquat au niveau de l’embrayage. Pour un moteur d’auto,
on pourrait être heureux d’avoir un bon niveau de molybdène alors que ce même produit a des effets négatifs pour
la moto. C’est donc une différence entre les huiles motos et autos.
La norme JASO contient quatre classements qui sont obtenus suite à un test de friction d’embrayage normalisé :
JASO MA, JASO MA1, JASO MA2 et JASO MB. Mais dans un premier temps, pour qu’une huile puisse être
homologuée JASO, elle doit répondre au moins à une des normes suivantes :
API : SG, SH, SJ, SM
ILSAC: GF-1, GF-2, GF-3
ACEA: A1/B1, A3/B3, A5/B5, C2, C3
La norme se divise en trois indices distincts, soit un indice sur la friction dynamique (DFI, « Dynamic Friction
Index »), un indice sur la friction statique (SFI, « Static Friction Index »), puis un indice sur un temps d’arrêt (STI,
« Stop Time Index »).
INDEX
JASO MA
JASO MA1
JASO MA2
JASO MB
DFI
≥1.45 and <2.5
≥1.45 and <1.8
≥1.8 and <2.5
≥0.5 and <1.45
SFI
≥1.15 and <2.5
≥1.15 and <1.7
≥1.7 and <2.5
≥0.5 and <1.15
STI
≥1.55 and <2.5
≥1.55 and <1.9
Table 19-8, Norme JASO
≥1.9 and <2.5
≥0.5 and <1.55
On remarque que la norme MA est plus permissive que ses sous-classes. Ainsi, MA2 est mieux que MA1, alors que
MA peut avoir des index qui vont de MA1 à MA2.
19.7.3 NORMES ILSAC
La norme API est une norme qui représente les entreprises produisant d’huile. La norme ILSAC (« International
Lubricants Standardization and Approval Committee ») est davantage représentative des intérêts des
manufacturiers. En ce sens, l’ILSAC a été créé en 1992 par l’AAMA (« American Automobile Manufacturers
Association ») et par JAMA (Japan Automobile Manufacturers Association). La norme ILSAC se colle à la norme
API avec un souci additionnel par rapport à l’efficacité énergétique. En ce sens, la norme vise davantage l’huile à
basse viscosité afin d’aider les manufacturiers à passer les critères de consommation de véhicules qu’ils produisent,
en sachant bien que les utilisateurs peuvent prendre des huiles qui ne sont pas ILSAC.
« GF »
GF-5
GF-4
GF-3
GF-2
GF-1
API
SN
SM
SL
SJ
SH
Détails
Pour carburant E85 au méthanol
Avec test d’économie de carburant VIB
Avec conservation d’énergie selon EC-II
Table 19-9, Norme ILSAC
19.7.4 NORME ACEA
Cette norme représente les constructeurs automobiles européens et représente moins les intérêts des fabricants
d’huile que la norme API et ILSAC. Le but de la norme est en autre de favoriser des vidanges d’huile plus espacées
dans le temps. En même temps, la norme tente de spécifier un niveau de qualité lié à une utilisation typique.
C’est une norme un peu compliqué à comprendre comme toutes les normes Européennes, mais elle a l’avantage
d’avoir une plus grande intelligence. Pour en savoir plus, le plus facile est de consulter internet à www.acea.be.
19.8 ADDITIFS
Les huiles automobiles peuvent contenir de 10 à 30% d’additifs, c’est donc dire qu’ils sont une partie extrêmement
importante de l’huile et peuvent affecter grandement les performances de l’huile. La qualité des additifs est variable
et de ce fait, si l’on prend deux huiles ayant exactement la même base, on peut se retrouver avec des produits avec
163
des performances différentes à court et long termes, et bien entendu des prix différents. Les additifs sont un
incontournable, mais en même temps, des additifs ne sont pas de l’huile, et pour lubrifier, c’est de l’huile que nous
avons besoin. Si par exemple nous avions une application dont les charges sont extrêmement importantes, avec
une température extrêmement constante, une huile sans additif pourrait être le meilleur choix. Des conditions
difficiles à respecter dans le monde automobile bien que les autos de drag fonctionnent un peu comme cela, mais
avec une température variable néanmoins.
L’ajout d’additifs après coup ne représente pas toujours une bonne idée en soi. À toutes les fois que l’on ajoute de
l’additif, on se retrouve à réduire la proportion en huile véritable. Si l’on ajoute un additif dans une huile neuve
sachant que l’huile en question peut manquer d’un additif en particulier, il se peut que ce soit une bonne idée, mais
ce n’est pas si simple. Si l’on ajoute du ZDDP (zinc) dans un huile détergente, et bien le détergent fera en sorte de
briser le zinc en plus de possiblement poser des problèmes au catalyseur. Mais dans certains cas, le fait d’ajouter
du molybdène dans l’huile pourrait une bonne idée, mais encore là, au risque de briser un certain équilibre. Dans ce
cas, il faut faire attention à ce que le molybdène puisse se dissoudre dans l’huile et ne pas boucher le filtre à l’huile.
Le molybdène est une particule très adhésive qui pourrait trop apprécier le contact avec le filtre! Prenez donc une
huile de qualité en faisant vos recherches au lieu de jouer les chimistes amateurs sans savoir vraiment ce que l’on
fait.
L’ajout d’additifs dans un vielle huile peut se faire avec l’expertise d’expert, et ce, en autant que l’huile de base ne
soit pas abimée. Encore une fois, changer l’huile tout simplement, ce n’est pas notre métier, à moins que ce soit le
vôtre.
19.8.1 AMÉLIORATEUR DE VI
Communément appelé « VI improver », un améliorateur de VI (Indice de viscosité, voir 19.4.3) est un drôle d’additif
que l’on ajoute dans les huiles automobiles. Comme l’indique son nom, la fonction de cet additif est d’améliorer
l’indice de viscosité. Dans les applications automobiles où la température de l’huile est très variable, idéalement le
VI serait le plus élevé possible.
L’additif d’amélioration de VI est en fait une molécule de type polymère (un plastique) que l’on ajoute à l’huile. La
molécule a la caractéristique de se contracter à basse température, et de s’étirer à haute température. Une belle
analogie que j’ai lue à ce sujet est d’imaginer des gens qui marchent sur le trottoir lorsqu’il fait froid sans être
suffisamment habillé (un ado quoi!). Le corps voutés et les bras bien serrés le long du corps, les mains dans les
poches. La circulation est fluide alors que chaque personne prend peu d’espace. On reprend ces adolescents et les
places dans un environnement chaud. Ils sont surexcités et leurs bras s’étirent troublant ainsi la circulation.
Imagions une norme d’huile qui indiquerait une huile selon deux températures, 10-40, où le 10 serait à 40°C et le 40
à 100°C. Afin d’obtenir l’huile 10-40, on se limiterait à prendre une huile 10 et de mettre de l’additif pour améliorer le
VI afin d’avoir une huile 40 à plus haute température. À basse températures, la molécule de polymère est voutée et
passe inaperçu dans l’huile en ne changeant pas la viscosité du mélange. Toutefois, à chaud, elle se met à troubler
la circulation de l’huile d’où une augmentation de la viscosité.
Si l’on revient à nos adolescents sur le trottoir. On peut maintenant imaginer qu’avec les bras ouvert, ils seront plus
propices à se faire mal au passage d’un coin de rue où les murs de maison créent une congestion. C’est pas mal le
défaut de ces molécules de polymère. Lorsqu’elles passent dans des endroits restreints comme les coussinets où
en plus des forces de cisaillement importantes sont présentes, elles ont tendances à se briser. Lorsqu’elles se
brisent, elles ne font plus leur tâche et la viscosité tombe à haute température. Il existe aussi un autre phénomène
qui peut arriver dans les coussinets alors même que les molécules ne se brisent pas. Elles peuvent s’aligner un peu
comme des cuillères dans un tiroir d’ustensiles, et créer une perte de viscosité temporaire, référé comme étant
« temporary shear », soit un cisaillement temporaire.
Les huiles synthétiques ont une nature multigrade et ce sans additif VI. Cela veut aussi dire que pour atteindre un
certain multigrade, elles ont moins besoin d’améliorateur de VI. Aussi, si l’on prend une huile haut de gamme, il se
peut que les molécules soient de meilleure qualité. J’ai donc une certaine timidité à voir le facteur VI comme une fin
en soi. On peut se retrouver avec deux huiles sur le marché que l’on essaie de comparer, une ayant un meilleur
facteur VI. En théorie, plus le facteur VI est élevé et mieux l’huile devrait se comporter dans les conditions extrêmes,
mais en même temps, je préférerais une huile dont l’indice VI est un peu plus bas si l’huile possède beaucoup moins
d’additif pour l’amélioration du VI. Allez savoir!
Ce que l’on souhaite d’une huile est qu’elle contienne le moins de ces molécules. Dans certaines applications
industrielles comme des groupes électrogènes, les huiles fortement recommandées sont des huiles monograde qui
164
elles ne contiennent pas de ces molécules. Mais convenons que ces moteurs opèrent à températures constantes en
fonctionnant presqu’en continu.
Pour des moteurs de performance, on voit tout de suite le grand avantage d’une huile synthétique, même de groupe
3.
19.8.2 ZINC
On retrouve normalement le zinc sous la forme ZDDP, soit zinc dithiophosphate. C’est un composé particulièrement
efficace pour limiter l’usure des arbres à cames. Cet élément, tout comme le molybdène (mais ce dernier est moins
propice aux motos), est particulièrement efficace lorsque l’on a tendance à briser les films d’huile. C’est donc moins
utile pour les coussinets. L’huile de nos jours contient de moins en moins de ces molécules en plus de contenir de
plus en plus de détergeant. Le détergeant ne fait pas bon ménage avec le ZDDP car comme bon nettoyant, le
détergeant tente d’éliminer le zinc… Le zinc agit aussi naturellement comme inhibiteur de corrosion et antioxydant.
La présence du zinc sous la forme du ZDDP pose un problème au niveau du dépôt du phosphore sur les parois du
catalyseur. La forme du ZDDP peut varier ce qui engendre des résultats différents au niveau du risque de dépôt.
Compte tenu de cela, et à défaut de trouver une façon précise de mesurer le risque pour les catalyseurs, les
constructeurs automobiles se sont entendus pour un contenu maximal de 0.1% dans l’huile. C’est ce que l’on
retrouve dans les dernières classes d’huiles API. Cela explique que parfois les huiles de course ne sont pas
homologués API SN par exemple, ou pas homologués du tout! On ne retrouve pas sur les contenants d’huile Motul
300V l’homologation API, il est seulement indiqué que l’huile dépasse les normes… ce n’est probablement pas vrai
ce qui est même souhaitable pour une huile de compétition. L’huile Valvoline NSL de compétition indique même que
l’huile n’est pas légale pour la route et on retrouve facilement le pourcentage de zinc contenu dans l’huile (de l’ordre
de .14%). Je trouve presqu’inquiétant de voir que l’huile Gulf de compétition rencontre la norme API SL.
On souhaiterait avoir une bonne quantité de ZDDP dans les moteurs de course. Le zinc s’incruste à la surface du
métal par le phénomène de friction en créant une barrière de protection.
19.8.3 MOLYBDÈNE
Le molybdène agit un peu comme le zinc comme composé anti-usure, mais c’est essentiellement un additif
antifriction. On obtient alors un niveau de friction un peu plus bas, et moins de friction crée moins de chaleur. Cet
additif adhère bien aux surfaces. Ce n’est évidemment pas souhaitable en forte quantité dans l’huile de moto car la
friction dans l’embrayage humide s’en trouve diminuée. Avec le retrait du zinc, on retrouve de plus en plus de
molybdène dans l’huile. C’est ce qui fait que les huiles plus récentes peuvent quand même prétendre à un certain
niveau de résistance malgré qu’il y ait moins de zinc dans l’huile. Utile dans les cas de lubrification de type mixte.
19.8.4 PHOSPHORE
Additif anti-usure souvent présent sous la forme ZDDP, voir l’additif de zinc.
Je n’ai pu trouver pourquoi les données de contenu de zinc et phosphore se retrouvent séparées dans les données
techniques des huiles.
19.8.5 SOUFFRE
Additif anti-usure, qui n’est pas un ami de l’environnement et des pots catalytiques.
19.8.6 DÉTERGENT
Les détergents permettent le nettoyage de l’intérieur du moteur. L’huile se dégrade avec le temps, et la combustion
forme des contaminants qui peuvent aller dans l’huile. Les détergents agissent de deux façons, soit à la manière
d’un solvant, ou encore, en créant une motte avec les contaminants qui se verra emprisonnée lors du passage dans
le filtre à l’huile.
C’est un additif important à avoir dans l’huile pour augmenter la vie de l’huile et du moteur. C’est pourquoi la
proportion de cet additif est présent plus que jamais dans les huiles répondant aux nouvelles normes. Toutefois,
dans un moteur de course où les changements d’huile sont fréquents, on souhaite que le taux de détergent soit plus
faible. C’est encore ici une grande distinction entre les huiles de compétition versus l’huile pour usage sur route
165
public. La bonne nouvelle est que les bases d’esters constituent de bons solvants naturels et ce, sans compromettre
la qualité de l’huile.
19.8.7 ANTIOXYDANT
Les huiles sont sujettes à l’oxydation ce qui peut modifier les molécules de la base d’huile. Plus les températures de
fonctionnement sont élevées et plus l’oxydation est présente. C’est encore ici où l’huile synthétique à base de PAO
et ester se démarque d’une huile minérale. Les contaminants tels que le fer et l’eau, ainsi que le taux d’acidité,
peuvent augmenter le niveau d’oxydation. L’oxydation a tendance à faire augmenter la viscosité.
Encore une fois, une huile de compétition prévue pour être changée souvent possède moins d’antioxydant.
19.8.8 ANTI-ACIDE
On retrouve certains éléments qui sont présent afin de neutraliser les sources d’acidité. L’acidité pour les éléments
mécaniques et peut créer des contraintes dans les matériaux.
19.8.9 ANTI-MOUSSANT
Des agents anti-moussants empêchent la formation de bulles d’air dans l’huile. L’huile est projetée dans le moteur et
cela peut faire en sorte que l’air se mélange à l’huile. Ce phénomène est encore plus vrai pour les moteurs de moto
dont la transmission réside dans le carter du moteur. On peut s’attendre à ce que l’huile spécifique aux motos
contienne davantage d’anti-moussant.
L’huile spécifique pour transmission contient cet additif ce qui est primordial pour assurer une lubrification adéquate.
Il faut être conscient qu’il y a toujours une part d’air dans l’huile, on n’en sort jamais complètement.
19.8.10 EP
L’abréviation EP signifie « Extrême Pression », c’est donc un additif que l’on retrouve pour l’huile à transmission.
Cet additif est commun et contient du phosphore et du souffre. Ces éléments sont corrosifs pour les métaux comme
le cuivre et le bronze dont sont faits bien souvent les synchros.
Les additifs EP ont la capacité de réagir aux hautes pressions et de réagir avec le métal des engrenages pour créer
une barrière anti-usure.
19.9 CHOIX ET INTERVALLE DE VIDANGE DE L’HUILE MOTEUR
Le choix d’huile? J’avoue que le fait d’écrire ce chapitre et de pousser plus loin ma compréhension de l’huile me fait
vivre beaucoup d’émotions!!! Évidemment, je n’ai pas essayé tous les types d’huile de tous les fabricants. Je peux
seulement me faire une idée basée sur une expérience limitée, des ouï-dire, ainsi que des fiches techniques.
Comme huile de compétition : j’avoue aussi mon amour pour la Motul 300V, c’est une huile de très haute qualité
qui m’a toujours offert des performances incroyables. Le gros défaut est définitivement le prix, c’est clair que l’on
paye pour du marketing quelque part. Le fait qu’elle ne soit pas homologuée me rassure.
L’huile que je connais moins mais qui me donne confiance au niveau des fiches techniques est la gamme de produit
de compétition RedLine WT. Je ne suis pas certain que ce soit une bonne huile avec un catalyseur. Les données
techniques sont incroyables malgré un VI un peu bas. Le fait que par exemple le grade 15W40 soit disponible
m’indique que l’huile a peu d’améliorateur de VI. L’huile contient un bon pourcentage de zinc (bien indiqué).
REDLINE signale qu’il faut faire des changements d’huile fréquent ce qui limite la quantité de détergent et
d’antioxydant. Le point éclair est élevé ce qui confirme une bonne base d’huile (contrairement à JoeGibbs). Enfin,
elle n’est pas homologuée, c’est bien! Enfin, les commentaires que j’ai d’un utilisateur d’il y a quelques années est
que l’huile semblait se comparer à la Motul 300V. En plus de tout ça, le prix est plus que raisonnable.
Une huile qui me laisse perplexe est l’huile Gulf compétition, qui jouit au Québec d’une promotion étonnante (je
connais un peu l’histoire mais je ne peux l’écrire ici). Premièrement, je trouve que son VI est presqu’anormalement
élevé. Elle rencontre les normes API récente (ce qui peut être bon pour un moteur avec catalyseur), ce qui n’est pas
forcément une bonne nouvelle pour une voiture de course sans pot catalytique. Une personne que je connais qui
roulait un moteur dont les bielles se déformaient beaucoup n’a pas été impressionnée par cette huile, le considérant
166
bien inférieur à la Motul 300V. On s’entend que son moteur demandait quelque part une huile qui réagit bien face à
une charge mixte (voir Figure 19-1).
Comme huile de voiture tout usage : en tenant compte que l’auto serait pourvue d’un catalyseur, il faut une huile
respectant les normes anti-pollution. Je suis très mal placé pour faire des recommandations éclairées, mais
j’imagine que les produits Motul (8100), RedLine et même l’huile de compétition Gulf (qui est probablement le
meilleur choix ici) sont très correct. Si le moteur est très modifié, j’aurais tendance à éviter les produits comme
MOBIL1, CASTROL etc. Toutefois, si le moteur est d’origine, toute bonne huile fait l’affaire.
Pour l’intervalle de vidange, vous serez déçu de la réponse, je n’en ai aucune idée précise. Ça dépend de notre
niveau de paranoïa et du risque en termes d’argent.
Il est possible de percevoir une certaine variation de viscosité (qui est le principal indice de détérioration de la base
de l’huile) au touché pour une température constante, mais c’est extrêmement arbitraire. Pour un moteur de course,
les vidanges se font généralement au plus à chaque week-end. Parfois plus rapidement que cela, mais parfois plus
espacé. Ça dépend de l’huile que vous prenez, de la sévérité de l’application et du temps.
Les huiles dédiées à la compétition, bien que bonne, sont moins adaptées à fonctionner à long terme pas manque
de détergeant et antioxydant. Il faut prévoir des vidanges régulières.
Un élément qui détruit l’huile est l’essence qui la contamine. Plus un moteur fonctionne riche en essence (AFR bas)
et plus le risque est important que du carburant se retrouve dans l’huile. Les moteurs à carburateurs ainsi que les
moteurs suralimentés sont plus vulnérables, il faut donc prévoir des vidanges plus fréquentes.
Pour mon auto de tous les jours, j’avoue être beaucoup plus négligeant en ne respectant pas les consignes de
garantie. Je roule avec de la bonne huile synthétique à base minérale que je change parfois! Si vous roulez un
camion qui tire constamment une grosse remorque et que vous devez exploiter pas mal la puissance, il faudrait
possiblement prévoir des changements plus fréquents, et aussi une viscosité légèrement plus élevée que ce que le
manufacturier recommande.
19.10 HUILE À TRANSMISSION
Je dois avouer mon profond malaise face à ce chapitre dédié aux huiles à transmission. Autant qu’ici c’est à priori
plus simple que l’huile à moteur, mais en même temps, l’enjeu de la friction avec les synchros en est un de taille.
Cette section considère seulement les transmissions manuelles.
Pour transmettre la puissance, c’est simple, on souhaite une huile qui assure une bonne lubrification des
engrenages soumises à des pressions de contacts importantes. Une huile qui permet un bon glissement. C’est
parfait! Toutefois, si la transmission possède des synchros, il faut justement que l’huile ne glisse pas trop. On peut
retrouver des bouteilles miracles qui doivent faire ceci et son inverse avec succès. Chaque transmission est
différente et certaines souffrent d’un malaise viral au niveau des synchros alors que d’autres ne sont pas une source
d’inquiétude. On peut toujours tenter de tirer profit de l’expérience des autres ayant la même voiture que nous.
J’ai quand même fait plusieurs tentatives généralement pas heureuses. Ce que je retiens est que si l’on met une
bonne huile, les synchros travailleront moins bien. Et si l’on met une huile ordinaire, les synchros travailleront bien
mais useront plus rapidement, conduisant à ce que les synchros ne travaillent plus. Ainsi, les produits qui
permettent de faire coller les synchros peuvent être une bien belle solution pour gagner une semaine avant le
prochain démontage.
Outre cela, une huile est une huile et plusieurs facteurs sont communs à ce que nous avons vu pour l’huile moteur.
Alors, concentrons-nous sur les différences.
L’huile à transmission ne s’émisse pas dans la combustion, donc même si l’huile contient du souffre, cela ne pose
pas de problème. À l’exception des transmissions de très haute performance, elles ne sont pas dotées de pompe à
l’huile ce qui limite les problèmes liés au point d’écoulement. Une viscosité importante génère forcément une perte
de puissance. Sur une transmission à 6 rapports par exemple, il y a toujours 5 rapports qui ne font que se battent
avec l’huile sans passage de puissance.
Les additifs ne sont pas les mêmes, voir les additifs dans la section de l’huile moteur (19.8).
167
19.10.1 VISCOSITÉ
La viscosité a bien entendu une certaine importance dans les transmissions mais bien moins que pour l’huile à
moteur qui soutient des charges par un film d’huile. On retrouve encore ici des huiles multigrades comme 80W90. Il
ne faut pas tomber dans le piège de croire qu’une huile 80W90 est beaucoup plus épaisse qu’une huile 20W50 pour
moteur, dans les faits, les références sont justes différentes, et le fait d’avoir des nombres importants souligne que
l’huile est pour transmission.
SAE
Grade
70W
75W
80W
85W
80
85
90
110
140
190
Température maximale
pour une viscosité de
150,000 cP (°C)
-55℃
-40℃
-26℃
-12℃
-
Viscosité minimale
à 100°C (cSt)
Viscosité maximale
à 100°C (cSt)
4.1
4.1
7.0
11.0
7.0
11.0
13.5
18.5
24.0
32.5
<11.0
<13.5
<18.5
<24.0
<32.5
<41.0
Table 19-10, Viscosité pour les huiles à transmission, SAE J-306
19.10.2 LES NORMES
On retrouve encore une fois les mêmes intervenants que pour les huiles à moteur. On retrouve différentes
catégories de produits comme le présente le tableau suivant :
«G»
GL-6
GL-5
GL-4
GL-3
GL-2
GL-1
Détails
Catégorie qui se voulait une évolution GL-5 mais et dont sa pertinence semble remise en question, donc disponibilité
douteuse.
L’huile recommandée généralement pour les ponts (différentiel) lorsque la transmission est séparée. Contient jusqu’à
6.5% d’additifs anti-usure en cisaillement. Toute à fait indiqué pour engrenages de type hypoïde. Cette huile est donc
un compromis entre les synchros et les engrenages de type hypoïde.
L’huile recommandée généralement pour les transmissions automobiles avec synchros. Application légère à sévère
pouvant contenir jusqu’à 4% d’additifs anti-usure en cisaillement et extrême pression. S’utilise avec les engrenages
de type hypoïde sous certaine limitation. Compatible avec certains systèmes de différentiels autobloquants.
Huile pour application modérée, pouvant contenir jusqu’à 2.7% d’additifs anti-usure. On retrouve cette huile dans
certains camions, mais ce n’est pas recommandé pour les engrenages de type hypoïde (que l’on retrouve sur les
différentiels arrière et les boites de type transaxe).
Huile pour application modérée. Avec additifs anti-usure. Davantage utilisé pour les boites d’engrenage de type vis
sans fin où il y a une friction par cisaillement, donc pas pour les automobiles.
Huile pour application légère et ayant un minimum d’additifs. C’est une huile que l’on utilise dans les boites
d’engrenages simple et où il n’y a pas de synchros.
Table 19-11, Norme API pour les huiles à transmission
Encore une fois, si l’on regarde les produits Motul, dans la série 300, on a le choix pour la 75W90 et la 75W90 LS.
La première est homologué GL-4 et GL-5 pour les transmissions sans différentiel autobloquant. La LS (pour Limited
Slip) est une GL-5 pour transmission avec autobloquant.
Ainsi, la majorité des voitures à tractions avant gagnent à utiliser de l’huile GL-4, alors que les applications avec des
boites de type « transaxe » (Subaru, Porsche, Ferrari) gagne à utiliser de l’huile GL-5.
Je crois que si vous essayer une huile et que le résultat ne vous semble pas concluant, faite le changement le plus
tôt possible pour éviter de l’usure non souhaitée.
19.11
RACCORD HYDRAULIQUE
Je ne compte pas entrer en détail dans le choix des raccords hydrauliques, je me limiterai à signaler que votre
sécurité ainsi que celle de votre bolide demande de prendre des raccords de qualité. Il faut éviter de prendre des
composantes qui pourraient céder sous la vibration comme des petits raccords en cuivre. Allez-y pour de l’acier, ou
encore de l’aluminium si les parois sont assez épaisses.
168
20
EMBRAYAGE
L’embrayage est utilisé conjointement avec les transmissions manuelles afin de passer la puissance du vilebrequin
vers l’arbre d’entrée de la transmission. Les transmissions automatiques utilisent des coupleurs hydrauliques.
Un embrayage présuppose un mécanisme de relâchement qui consiste en une pédale. Lorsque vous poussez la
pédale, vous vous retrouvez à pousser sur le système de ressort inclus dans l’embrayage. Le mouvement de
poussé peut utiliser un système hydraulique ou un mécanisme par câble.
Par défaut, l’embrayage est en prise lorsque vous ne touchez pas la pédale d’embrayage, qui en fait, est une pédale
de désembrayage. Un embrayage est un peu comme l’inverse des freins.
Figure 20-1, Ensemble d’embrayage
Figure 20-2, Embrayage OS Gikken
Un embrayage comprend un disque et le mécanisme de plaque de poussée. Lorsque vous achetez un kit
d’embrayage, vous allez souvent recevoir le roulement de poussée permettant de désengager le disque.
Pour les motos, l’embrayage fonctionne généralement dans l’huile, qui possède un nombre important de disques
d’embrayages. Afin de diminuer le risque de blocage de la roue arrière par l’effet du frein moteur, plusieurs motos
sport possèdent maintenant un mécanisme qui relâche la pression sur les disques afin de permettre un certain
glissement.
20.1
CAPACITÉ
La capacité de l’embrayage n’est pas fonction de la puissance de votre moteur, mais du couple de ce dernier. La
vitesse de rotation n’influence en rien sa capacité.
Souvent on verra des embrayages dits « heavy duty » ou pour service intense. Bien souvent, la différence est
seulement la tension du ressort de type diaphragme. Ainsi, un tel embrayage pour service intense sera en mesure
de passer plus de couples sans glisser. Toutefois, si vous arrachez des embrayages, un ensemble pour service
intense n’aidera pas beaucoup votre cause. Bien souvent, les embrayages de performance reprennent les mêmes
pièces que les ensembles d’origines.
Les éléments qui peuvent briser dans un embrayage sont dans un premier temps le système de ressorts inclus dans
le centre du disque. Lorsque vous abusez de votre embrayage, vous pouvez littéralement casser les bandes de
retenu (normalement au compte de 3) du plateau inclus dans le mécanisme de poussée. Enfin, et c’est plus rare, la
cage extérieur du mécanisme de plaque de poussée peut se casser si la conception de la pièce commande des
déformations trop importantes, ce qui induit des contraintes résiduelles élevées.
Évidemment, il y a aussi des ensembles de très hautes performances qui utilisent une conception totalement
différente. Ces ensembles sont très solides mais commandent un prix généreux. La Figure 20-2 présente un
embrayage OS Gikken à simple disque apte à être utilisé sur la route comme sur piste. Un tel ensemble est
extrêmement robuste et est apte à subir une vie difficile. Toutes les pièces sont faites par usinage et non pas par
emboutissage. Il y a toutefois certains désavantages. En effet, l’ensemble vient avec un volant, il faut donc y mettre
le prix. OS Gikken utilise des volants en acier et non pas en aluminium, l’ensemble est sommes toute robuste mais
assez lourd. Enfin, en circulation urbaine, l’embrayage fait du bruit lorsque l’embrayage est désengagé. En effet,
l’appui mobile s’appuyant sur le disque est retenu en place avec des cannelures ayant un jeu. Le bruit mécanique
qui en résulte fait très voiture de course, mais un peu trop lorsque nous sommes à un feu côte à côte avec une
police… Ainsi, si l’on connait la cause du bruit ça devient sexy, mais si on l’ignore, le bruit fait un peu voiture prête
pour la fourrière.
169
20.2
TYPE
Normalement, les embrayages d’origines utilisent un seul disque. Avec une même prétension de ressort, un
embrayage à double disque a 2 fois plus de capacité. En théorie, un embrayage à double disque aura besoin d’un
plus grand déplacement pour se désengager.
Pour les embrayages usuels, on retrouve différents types de disques, soit les disques normaux avec un contour
uniforme, puis les disques de performance à pétales (voir Figure 20-1). Le nombre de branches peut varier de 6 à 3.
Pour ces derniers types, vous pouvez trouver 2 configurations de cœur, soit ceux à montage rigide, ou soit ceux qui
comme d’origine permettent un faible mouvement en rotation. Les disques à centre rigide doivent être utilisés pour
des usages sur piste uniquement, et idéalement, seulement si vous avez éprouvé des problèmes avec les disques
avec centre muni de ressorts.
Certains manufacturiers d’embrayages comme ACT offrent 3 choix de mécanismes de poussée, dont chacun
possède une force différente conduisant à une capacité différente pour retenir le couple sans glissement. Dans le
cas de ACT, il y a le type HD, soit pour service intense qui représente leur produit de base, pouvant créer un effort
de poussée de 20 à 50 % de plus que l’embrayage d’origine. Il y a ensuite la XT pour extrême, dans ce cas, on
parle d’une augmentation de la force de poussée contre le disque allant de 50 à 120 % de plus que l’embrayage
d’origine. Il y a ensuite la XX pour maximum extrême. Dans ce cas, la force peut être de 70 à 150 % de plus que la
force d’origine. Le fait de mettre un mécanisme d’embrayage plus ferme crée une pression plus importante au
pédalier du même pourcentage que l’augmentation de la force. Ensuite, il faut voir que le palier du jeu latéral doit lui
aussi résister à un effort plus grand. À la limite, une force plus élevée peut causer une usure du palier du jeu latéral.
Ensuite, il y a différents choix de disques, et dans le cas de ACT, on se retrouve avec les choix suivants : 00 (tel que
d’origines), MM (modifié), SS (performance), G4 (course, 4 branches, centre avec ressorts), G6 (course, 6
branches, centre avec ressorts), R4 (course, 4 branches, cœur solide), R6 (course, 4 branches, cœur solide).
Un ensemble d’embrayage ACT se voit vendu avec 3 configurations de mécanique de poussée, et 7 choix de
disques, pour un total de 21 combinaisons.
Certains mécanismes de poussée utilisent des poids qui augmentent la pression à mesure que le régime augmente
en utilisant l’effet centrifuge. J’ai tendance à croire que c’est un gugusse, d’autant plus que le couple maximal du
moteur est toujours à des régimes intermédiaires.
20.3
MATÉRIAU
Il y a différents types de matériaux de friction utilisés pour le disque. Généralement le choix ira vers un composé
similaire aux garnitures de frein de bas de gamme. Lorsque vous désirez plus de friction, vous pouvez opter pour un
matériel en céramique qui s’adapte aux disques avec une conception en branches. Ce matériel procure près de
30 % de plus de friction. Néanmoins, je ne vous recommande pas ce matériel pour usage routier, croyez-en mon
expérience. Le point de friction est agressif, les vibrations au démarrage causeront éventuellement la rupture du
matériel.
Il peut arriver que les plaquettes soient faites avec une sorte de papier. Si vous avez ça, ne l’installez pas si vous
pensez abuser de votre embrayage, ou si vous comptez installer un volant léger en aluminium avec surface de
friction vissée. Vous pouvez facilement faire remplacer les plaquettes dans des centres de reconditionnement
d’embrayage tout près de chez vous, à prix économique.
170
21
VOLANT
Le volant a plusieurs fonctions simples, soit celles de recevoir l’ensemble d’embrayage dans un premier temps, en
plus de posséder une masse servant à accroître l’inertie du moteur, puis intègre un engrenage sur son contour sur
lequel le démarreur viendra s’engager au démarrage. La majorité des moteurs de motos retiennent une conception
entièrement différente, avec un système de démarreur utilisant un embrayage en prise constante doté d’un
mécanisme antiretour. Ainsi, lorsque le démarreur tourne plus rapidement que le moteur, le démarreur entraine le
vilebrequin. Lorsque ce dernier atteint une vitesse plus rapide que le démarreur, le démarreur peut continuer à
tourner, mais n’aura pas d’effet.
La masse servant à accroître l’inertie procure plusieurs avantages. Tout d’abord, le régime de ralenti peut être
ajusté plus bas en demeurant plus stable. Deuxièmement, l’inertie joue le rôle d’accumuler de l’énergie, ce qui est
utile pour faciliter le lancement de la voiture à l’arrêt. Les voitures avec de petits moteurs dotés de transmission
manuelle dont la clientèle cible est monsieur et madame Tout-le-Monde auront bien souvent des volants très lourds.
Il y a néanmoins quelques exceptions comme les défuntes Renault 5 dont l’inertie très faible du moteur demandant
une adresse particulière pour lancer la voiture. Un volant très lourd favorise le crissement des pneus au passage du
deuxième rapport par exemple, ce crissement n’est pas forcément le fruit de la puissance du moteur.
Les moteurs couplés à une transmission automatique possèdent une plaque de retenue très légère pour
l’engrenage de démarreur. Le coupleur hydraulique agit comme volant, mais son rôle pour l’inertie est beaucoup
moins important qu’un volant pour moteurs couplés à une transmission manuelle.
Bien souvent, les gens remplacent le volant par un modèle ultra léger. Il n’y a pas de mal à aller dans ce sens,
beaucoup de manufacturiers offrent des volants légers et fiables. Fidanza offre une gamme étendue de volants en
aluminium à des prix raisonnables, je n’ai jamais eu de problème.
Côté performance, ne vous attendez pas à des miracles. Sur circuit, j’ai tendance à voir comme principal avantage
une plus grande rapidité du moteur à revenir à des régimes plus faibles lorsque l’embrayage est dégagé avec la
pédale d’accélérateur relâchée. Cette capacité du moteur à varier de vitesse plus facilement peut aider les synchros
à l’intérieur de la boîte de transmission. Et dû au fait que la vie des synchros est toujours un souci, il est certain que
l’effort va dans le bon sens.
Et si vous percevez que votre voiture accélère plus rapidement avec un volant léger, alors je félicite votre sensibilité!
Pour certaines compétitions comme les courses d’accélérations, il peut être utile d’avoir une masse importante du
volant afin d’accumuler de l’énergie avant le départ, qui sera retransmise aux roues aussitôt la voiture en
mouvement.
Dans les faits, ce n’est pas la masse du volant qui guide son inertie, mais la masse et sa localisation. Un
kilogramme de masse localisé au centre du vilebrequin crée très peu d’inertie, alors que la masse localisée sur le
pourtour favorise un maximum d’inertie. Les volants d’origines sont souvent d’épaisseur variable afin d’atteindre les
caractéristiques mécaniques requises pour contrer les forces d’embrayage (avec un fort facteur de sécurité), puis le
pourtour devient particulièrement épais pour obtenir un maximum d’inertie avec un minimum de masse.
Généralement, un volant sera apte à prendre une puissance de loin supérieure à la puissance d’origine. Il n’est donc
pas utile de le remplacer en pensant accroître la fiabilité. Dans les faits, les volants de remplacement sont
généralement moins résistants.
21.1
MATÉRIAU
D’origine, les volants sont généralement en fonte de fer. Pour ceux de performance, on retrouve souvent des
constructions en aluminium incorporant un disque d’acier démontable sur lequel le disque d’embrayage est en
contact.
Si vous décidez d’usiner votre propre volant d’origine afin de réduire sa masse, conservez toujours une certaine
épaisseur au niveau du cœur, là où les efforts sont importants. Si vous usinez de façon agressive le contour,
conservé un peu de matériel pour l’opération d’équilibrage. Afin de conserver un maximum de rigidité, le perçage
d’une quantité importante de trous est préférable à un usinage sur tour, mais cette modification demande beaucoup
de travail.
171
22
TRANSMISSION
Il ne sera pas question en long et en large des modifications aux transmissions dans ce manuel. Comme bien
souvent, je me suis limité à discuter des sujets en fonction des choix auxquelles nous devons faire face lorsqu’on
modifie un véhicule.
De plus, mon expertise se limite aux transmissions manuelles automobiles et motos, je n’ai jamais démonté une
transmission automatique de ma vie. Et il en est de même pour les transmissions avec système de changement
automatique à haute vitesse qu’on retrouve sur les voitures exotiques. Évidemment, si ce manuel devient un « bestseller » mondial, et qu’on distribue des millions de copies en français aux Américains, je pourrai m’acheter ma
Ferrari, ce qui me permettra d’en apprendre plus sur le sujet… Évidemment, c’est de l’humour.
22.1
TYPE
Il y a deux grandes familles de transmission qu’on retrouve sur nos véhicules de performance, soit les transmissions
automatiques et les transmissions manuelles. Il y a bien sûr d’autres types de transmission, comme les CV Tech,
mais c’est assez marginal sur la route, encore plus sur circuit, bien que sur piste d’accélération cela pourrait être
efficace.
22.1.1 TRANSMISSION AUTOMATIQUE
Une transmission automatique permet de passer automatiquement d’un rapport à l’autre. Afin d’exécuter cette
tâche, chacun des rapports dans la transmission est doté d’un mécanisme d’embrayage actionné par un système
hydraulique. La pression hydraulique est générée par une pompe bien souvent localisée sur le côté du moteur. Un
système de valve permet d’activer tel ou tel rapport en fonction des réglages. On retrouve deux types de systèmes
de commande des valves, les systèmes hydrauliques et les systèmes électriques.
Dans les systèmes de commande hydraulique, les valves sont calibrées afin de permettre les changements de
rapports selon certaines règles. Les transmissions utilisées pour la course d’accélération sont modifiées au niveau
du système de commande afin de favoriser des accélérations optimales. Il y a bien entendu des entreprises qui se
spécialisent dans la modification des transmissions automatiques.
Dans les systèmes de commande électrique, les valves sont électriques et commandées par un ordinateur.
En amont de la transmission se trouve un coupleur hydraulique. Ce coupleur a pour fonction de permettre au moteur
de tourner au ralenti sans toutefois créer le mouvement de l’automobile. Un coupleur a une configuration qui lui
permet de transférer le mouvement à la transmission lorsque le cisaillement de l’huile devient suffisamment
important. Ce « suffisamment » est ajustable, les applications de course d’accélération auront tendance à choisir
des coupleurs s’engageant au régime du couple maximal.
Les transmissions automatiques sont souvent le choix de prédilection pour les coureurs d’accélération pour leur
capacité à obtenir des temps rapides et constants. Pour les autres disciplines de course, les transmissions
automatiques deviennent un handicap.
22.1.2 TRANSMISSION MANUELLE
Pour ceux qui ne connaissent pas le fonctionnement des transmissions manuelles, il faut briser le premier mythe,
soit celui qui laisse croire que les engrenages se déplacent dans la transmission. Sauf exception, les engrenages ne
se déplacent jamais. Ce sont des baladeurs qui se déplacent pour engager des rapports. Les rares transmissions où
les engrenages se déplacent se limitent à certaines anciennes voitures et bien souvent cela était vrai pour le
premier rapport uniquement. Il y a une autre exception, très commune, soit celle des transmissions de moto. Ce cas
est particulier, pour moi cette conception représente une solution géniale. Dans ce cas (les motos), les engrenages
se déplacent, mais ne perdent jamais contact, il n’y a donc en aucun cas un engrenage tentant d’entrer dans un
autre. Évidemment, il y une dernière exception, soit le rapport de reculons sur toutes les transmissions manuelles
automobiles. Ceci est nécessaire afin d’inverser le mouvement car l’inversion du mouvement demande une
combinaison de 3 engrenages au lieu de 2.
172
On distingue plusieurs types de transmission manuelle :
-
transmission synchronisée;
transmission avec crabots;
transmission séquentielle.
Une transmission à 5 rapports possède 5 rapports pour aller vers l’avant. Ces 5 rapports ont tous des rapports
différents de réduction. Le premier rapport de boîte possède un rapport de réduction plus élevé, pour favoriser une
capacité d’accélération plus grande. Le dernier rapport possède un rapport de réduction plus faible permettant au
moteur de tourner plus lentement sur grande route afin de minimiser la consommation de carburant, en plus
d’atteindre des vitesses élevées.
Si un rapport à un ratio de réduction de 3 et que le moteur doit tourner à 4 000 rpm pour rouler 30 km/h, le moteur
tournera seulement à 2 000 rpm sur un rapport ayant une réduction de seulement 1.5 à cette même vitesse.
Ce changement de rapport oblige le moteur à changer de régime lors du passage d’un rapport. Ainsi, idéalement
vous devriez toujours ajuster la vitesse de votre moteur lors du passage d’un rapport. Dans l’exemple précédent,
vous devriez peser sur l’embrayage arrivé à 4000 rpm, mettre la transmission au neutre, relâcher votre embrayage,
faire tourner le moteur à 2000 rpm, presser de nouveau sur l’embrayage en maintenant le régime constant, puis
passer le rapport. Pénible vous dites!
Afin de nous rendre la vie plus facile, les transmissions sont pourvues de synchroniseur, ou en terme plus jovial
synchro. Un synchro est généralement une petite pièce en bronze qui est utilisée comme embrayage à glissement
pour ajuster la vitesse de l’arbre d’entrée de la transmission. Ainsi, reprenant l’exemple précédent, vous rouler à 4
000 rpm, vous pressez sur l’embrayage sans vous souciez davantage du régime moteur, vous passez ensuite au
point mort puis sur le deuxième rapport. Lors de ce dernier passage, votre bras pousse le synchro sur un cône de
l’engrenage que vous engagez, puis la friction du synchro ajuste rapidement la vitesse de l’arbre d’entrée à 2 000
rpm. Ensuite vous relâchez l’embrayage et le tour est joué.
Figure 22-1, Synchroniseur en acier recouvert (à
gauche) et en bronze (à droite)
Figure 22-2, synchroniseur double
Les Figure 22-1 et Figure 22-2 présentent différents modèles de synchros. Il est rare de voir des synchros en acier
recouvert, le matériau de prédilection est le bronze. On retrouvera des synchros en bronze recouvert dans certaines
applications telles que certaines transmissions de Porsche.
Le principal problème avec les synchros est qu’ils peuvent s’user et ne plus être en mesure de faire leur travail de
freiner ou d’accélérer l’arbre primaire. Dans ce cas, le passage de vitesse devient pénible avec des bruits
inquiétants. Il faut alors réduire de beaucoup la vitesse de passage afin de laisser le temps aux synchros de faire
leur travail. Toutes les transmissions ne sont pas nées égales, et disons que pour ma part je n’ai jamais été très
gâté. Pour remédier aux problèmes d’usures des synchros, les manufacturiers de transmission ont développé
plusieurs solutions telles que les synchros doubles. Mon expérience avec ce type de synchro ne m’a pas convaincu.
Pourtant, certaines transmissions sont particulièrement solides comme les boîtes de Porsche (cela n’a pas toujours
été le cas, disons-le). Porsche a conçu des transmissions avec des synchros particulièrement gros qui travaillent sur
le diamètre extérieur pour les rapports les plus critiques. Les rapports les critiques sont normalement le premier et le
deuxième rapport. La raison est assez simple, d’abord ce sont les rapports qu’on utilise le plus souvent bien que sur
piste le premier rapport ne soit à peu près jamais utilisé. La deuxième raison est qu’il y a une grande différence de
rapport de réduction avec les rapports voisins, ce qui leur oblige à freiner ou à accélérer davantage l’arbre primaire.
Il est très souvent nécessaire de rebâtir les transmissions lorsqu’elles sont mal nées et abusées sur piste. Des kits
de pièces sont disponibles pour remettre à neuf les boîtes. Il ne faut pas trop attendre, et idéalement la transmission
devrait être rebâtie aussi tôt que les passages de vitesses deviennent bruyants. Bien entendu, les synchros s’usent,
mais arrivée à un certain point, il devient nécessaire de remplacer l’ensemble baladeur/engrenage en défaut.
173
Lorsque vous changez les synchros, il faut aussi changer les petites butées (normalement au compte de 3), car
elles peuvent vous réserver des surprises en se cassant.
Vous pourrez trouver des kits qui permettent de diminuer la course du levier de changement de rapport afin de
réduire les temps de passage. Si votre transmission a déjà des problèmes de synchros, alors résisté à cette
tentation, le passage plus rapide des rapports ne fera qu’accentuer leur usure.
Figure 22-3, Kit de reconditionnement d'une transmission de Porsche
La Figure 22-4 montre une transmission un peu particulière. Tout d'abord, cette petite boîte à 5 vitesses est à
rapports rapprochés, dont ceux de 1 et 2 sont à crabots, puis ceux de 3 et 4 sont avec synchros. Vous pouvez aussi
remarquer que les dents sont droites.
Sur piste, une solution au problème des synchros qui s’usent est de les enlever tout simplement. En fait, ce n’est si
simple que cela. La solution est d’installer des engrenages et baladeurs avec engagement par crabots. Ici, on entre
dans du matériel très spécialisé de compétition. C’est donc le pilote qui doit synchroniser son moteur. Il y a bien des
rumeurs sur la façon de changer les rapports sur ces transmissions. Vous entendrez qu’il faut opérer des opérations
de double activation de l’embrayage. Sur circuit, si le moteur est vif avec une faible inertie, les rapports s’engagent
au doigt et à l’œil, de petites merveilles. Mais les merveilles ont leur limite, ne comptez pas faire l’usage de ces
transmissions dans la circulation, ça vient un peu pénible. De plus, les passages de vitesse lents peuvent les
abîmer, en créant plus de risques de contact entre les arrêtes des crabots et des cavités. Engager un rapport du
point mort devient un petit exercice de pied. Les crabots mâles entrent dans des cavités femelles, afin de permettre
un engagement facile, la cavité femelle est beaucoup plus grande que le crabot mâle. Lorsqu’il y a 6 crabots
(espacés de 60 degrés), les cavités permettront généralement un jeu de 30 degrés, pour une possibilité
d’engagement de 50 %. Les motos retiennent ce principe, il est facile de ressentir à basse vitesse le jeu des crabots
dans leurs cavités.
Afin d’allonger la vie des synchros, il existe quelques solutions qui s’offrent. Il est parfois possible d’acheter des
ensembles d’engrenages à rapports rapprochés (« close ratio ») pour boite avec synchro et utilisant toujours les
synchros d’origine. Il faut savoir que le travail d’un synchro est de freiner et d’accélérer un ensemble d’engrenage et
un arbre. Plus les rapports sont rapprochés les uns des autres, et moins le travail devient ardu pour le synchro
faisant le travail. Ceci explique en partie pourquoi nous avons souvent plus de problèmes avec les synchros des
rapports 1 et 2 car ceux-ci ont des rapports plus espacés avec leurs voisins. Il faut prendre cela avec des pincettes
car les synchros des rapports suivants sont souvent beaucoup petit aussi. Mais néanmoins, des rapports
rapprochés aident la cause. Une autre solution réside à réduire la masse des engrenages par usinage. On enlève
l’excédent de matériel. Il y a un risque mais ça peut aider. Mon expérience personnelle avec une transmission
Toyota C64 (Lotus Elise/Exige) : avec les rapports d’origine, je devais refaire la transmission une à deux fois par
année. Avec un ensemble d’engrenage « close ratio » KAAZ que j’avais allégé, j’ai décidé de la refaire après trois
ans car le synchro de la cinquième commençait à passer un peu moins bien…
La Figure 22-4 montre clairement un aménagement de transmission assez simple, basé sur une transmission de
Renault NG3 5 vitesses, comprenant un kit de rapport court à dents droites. Vous pouvez remarquer que l’arbre
primaire (celui du haut) inclut 5 engrenages fixés à cet arbre. Pour un jeu d’engrenages, il y a toujours un engrenage
fixe et un engrenage libre lorsque le rapport n’est pas engagé. L’engrenage libre tourne librement sur l’arbre sur
lequel il est installé. De nos jours, l’engrenage libre est monté bien souvent sur roulement à aiguilles. À une époque
pas si lointaine, les engrenages libres étaient souvent assemblés sans roulement avec un petit jeu pour permettre la
rotation. Sur les transmissions de moto, c’est encore le cas, il serait difficile de faire autrement avec leurs
configurations. Bien souvent, il y a un arbre qui inclut des engrenages qui sont usinés à même un arbre, mais
parfois, les engrenages sont démontables.
174
La marche arrière est toujours composée de trois engrenages. Il y a donc un engrenage sur l’arbre primaire, puis un
autre sur l’arbre secondaire, puis enfin un dernier qui est fixé sur un autre arbre dédié. Afin de renverser le
mouvement, il est nécessaire d’avoir cet engrenage supplémentaire.
Je vais prendre quelques lignes pour décrire la raison de l’ordre des engrenages dans une boîte. Comme vous le
savez, les vitesses se passent toujours selon une grille de type en H. C'est-à-dire que lorsque vous passez du
rapport 1 à 2, vous faites une ligne droite vers le bas (sauf exception). Pour passer au rapport 3, vous faites un
détour vers la droite dans la section du point mort avant de remonter. La grille est ainsi faite pour nous aider à
passer les rapports. Cette configuration oblige la conception de boîtes qui juxtaposent les rapports en fonction de la
grille. Ainsi, les rapports 1 et 2 sont côte à côte, partageant la même fourchette. Même chose pour les rapports 3 et
4 et ainsi de suite. Il y a un minimum d’un arbre de commande par fourchette, lorsqu’une transmission possède 6
rapports en plus du reculon, il y aura généralement 4 arbres de commande.
Figure 22-4, Boîte de transmission avec crabots et synchros, engrenages à dents droites
Les boîtes de course que fabriquent des entreprises telles que Hewland et Quaiffe sont essentiellement à crabots.
Les engrenages sont généralement à dents droites, démontables afin de modifier les rapports de réductions de
chaque rapport indépendamment. On retrouve des boîtes Hewland sur les Formules Ford.
Certaines transmissions conçues et fabriquées spécifiquement pour les courses sur piste ovale possèdent une
configuration inusitée du levier de vitesse. Sur une transmission habituelle, le levier de sélection des vitesses décrit
un mouvement latéral pour sélectionner l’arbre de commande de fourchette avec une trajectoire en H. Le principal
problème avec cette configuration est qu’il faut guider le levier dans la bonne case. Il est donc possible sans le
vouloir de passer du rapport 4 au rapport 1 alors qu’on désirait passer le rapport 3. Les transmissions comme celle
175
fabriquée par Bert Transmission (au Québec) minimisent ce risque en dotant la transmission d’autant de leviers qu’il
y a de tiges de fourchettes. Évidemment, la solution peut paraître stupide pour les personnes en dehors de ce
circuit, mais l’idée fait du sens dans la mesure où les pilotes changent très peu de rapport durant une course. Au
pire, les pilotes passe du rapport 3 à 2, puis de 2 à 3. Ainsi, si les changements de rapports se font toujours avec le
même levier, ce qui est le cas, il n’y a aucun risque de tomber sur un mauvais rapport. C’est vraiment bien les
solutions que les gens trouvent pour résoudre des problèmes. C’est une solution très spécifique et limitée à une
discipline. Je ne m’imagine pas sur une piste d’accélération avec plusieurs leviers.
Figure 22-5, Boîte de transmission avec crabots et synchros, engrenages à dents hélicoïdales
Les deux photos précédentes d’ensembles de transmissions montrent des boîtes ayant deux arbres dont l’un est
l’arbre primaire (recordé au disque d’embrayage), puis le second est l’arbre secondaire allant à la sortie de la boîte.
De nos jours ce type d’aménagement est le plus répandu. Mais plus anciennement, et encore maintenant sur
certaines transmissions, il y a trois arbres. Il y a bien sûr l’arbre primaire, puis l’arbre secondaire, puis enfin l’arbre
de sortie. Cet arbre de sortie est en ligne avec l’arbre primaire. Il y a certaines configurations de transmission où le
dernier rapport est le fait d’une connexion directe entre l’arbre primaire et l’arbre de sortie. Il y a bien longtemps, on
utilisait le terme « surmultiplié » à toute transmission dont le dernier rapport avait un rapport de réduction plus petit
que 1. Un rapport plus petit que 1 implique que l’arbre de sortie de la transmission tourne plus rapidement que celui
d’entrée. Disons que de nos jours ce terme a perdu son sens dans la mesure où les constructeurs font un peu
n’importe quoi avec les ratios de transmissions, alors que bien souvent, il n’y a tout simplement aucun rapport avec
un ratio de 1.
Enfin, il y a la transmission séquentielle. Cette dernière utilise des engrenages avec des crabots. La grande
différence est d’utiliser un barillet tournant sur lui-même commandant le déplacement des fourchettes. Certains kits
sont parfois disponibles pour s’insérer dans les boîtes d’origines, Quaiffe fabrique de ces kits. Dans ces
transmissions, à la manière de celles de motos, le passage d’un rapport à l’autre se fait sans passer par le point
mort. Ce sont des boîtes extrêmement rapides pour les changements de rapports. Contrairement à une
transmission normale, l’arrangement des engrenages selon un ordre précis n’est pas requis. Si vous trouviez que
vous aviez dépensé beaucoup d’argent dans votre moteur, attendez-vous à en mettre autant dans une boîte de
transmission de ce type. C’est le temps de casser toutes vos tirelires de monnaie. Les changements de rapport
peuvent se faire sans l’utilisation de l’embrayage avec un pilote expérimenté. Le passage à un rapport inférieur
gagne néanmoins à se faire avec l’embrayage pour réduire les risques de blocages des roues motrices.
Pour les engrenages, vous trouverez généralement des engrenages à dents hélicoïdales sur les transmissions
d’origines. Sur les transmissions de course, ce sera principalement des dents droites qui seront valorisées pour une
réduction de la friction. En théorie, des dents hélicoïdales offrent une plus grande résistance. J’ai déjà roulé sur la
voie publique avec une boîte à dents droites, j’avoue que c’est quelque chose de particulier. Le bruit est spécifique,
avec un « silement » mécanique assez surprenant. Les motos sport utilisent aussi des engrenages à dents droites.
Les transmissions utilisent presque uniquement des engrenages avec des dimensions d’usinages non standards.
Les outils d’usinage sont soit impériaux ou métriques. Si l’on désire faire usiner un engrenage de remplacement, il
faut s’assurer que l’outil possède la bonne profondeur de dégagement, mais c’est rare que cet enjeu soit critique.
Dans certaines applications de performance où les engrenages sont renforcés par rapport à celle d’origine, il se
176
peut que les engrenages soient partiellement hélicoïdaux. En effet, les dents sont usinées avec un angle, mais
compte tenu que les dents sont plus costaudes que d’origine pour la même largeur d’engrenage, il n’est plus
possible d’obtenir une transition parfaite d’une dent à l’autre. On se retrouve ainsi avec une boite solide qui génère
un « silement » léger.
Figure 22-6, Boite de transmission KAAZ avec engrenages partiellement hélicoïdaux
22.2
RAPPORT
La transmission est souvent l’élément oublié lors de la préparation d’une voiture de performance. Premièrement, ce
n’est jamais très « sexy », puis ça coûte très cher. Toutefois, sur le plan de la performance, les gains peuvent être
étonnants. Je me rappelle nombre de fois où ma voiture accélérait davantage qu’une voiture beaucoup plus
puissante car avec une boite à rapport rapproché, on peut se retrouver à être presque toujours sur le rapport optimal
en sortie de virage.
Si l’on revient à la Figure 3-3 on peut voir clairement que la différence de réduction entre les rapports 1 et 2 laisse
béant une plage d’accélération. On peut aussi remarquer que le rapport 1 de la Figure 3-6 est tout à fait inutile, trop
lent et trop fort.
Idéalement, sur un circuit, vous devriez être en mesure d’utiliser tous les rapports sans jamais perdre de temps à
changer de rapport. Ainsi, vous devez combiner ces deux idéaux, ce qui est paradoxal. C’est un compromis que
vous devez trouver.
Ce qui devient clair est que le premier rapport doit être très long afin de pouvoir l’utiliser dans les virages les plus
lents. Mon expérience en auto sur circuit routier m’a montré qu’une vitesse de moins de 90 km/h sur un rapport rend
ce dernier presque inopportun pour la majorité des pistes, à moins que vous ayez un très petit moteur et une tenue
de route très relative.
Ensuite, il s’agit d’étaler les rapports de multiplications. En général, la norme est d’étaler les rapports de telle sorte
que la différence de vitesse soit la même d’un rapport à l’autre. L’exemple de la Figure 3-3 donne des vitesses de
passage de 87 (1), 120 (2), 154 (3), 187 (4) et 219 (5), pour des différences de vitesse de 33 (1-2), 34 (2-3), 33 (3-4)
et enfin 32 (4-5). Plus les rapports sont rapprochés et moins la chute de révolutions du moteur est importante, cela
permet d’utiliser au mieux la puissance du moteur. Ceci est encore plus vrai sur circuit routier où les vitesses de
passage en courbe peuvent ne pas être prévues pour votre boîte. Une boîte avec de longs étagements cause
parfois l’obligation de sortir d’un virage sur un rapport beaucoup trop élevé bien en dessous d’où se trouve la
puissance. Évidemment, si vous avez un moteur avec beaucoup de couple à moyen régime et que de toute façon
vous êtes à la limite d’adhérence, il n’y a pas de raison d’être sur un rapport inférieur.
177
La règle d’étagement des ratios d’engrenages permettant d’avoir une différence de vitesse constante n’est pas une
règle absolue. D’ailleurs, les motos ne respectent pas cette règle, alors que les accélérations sont limitées par la
capacité de la moto à ne pas se cabrer sur la roue arrière. Dans ce cas, l’étagement des rapports varie et devient
extrêmement rapproché vers les rapports supérieurs.
Sur une moto de forte cylindrée, il peut être très intéressant de maintenir le régime du moteur très bas pour les
séries de virages serrés. Généralement, même à bas régime, la puissance est suffisante pour faire décrocher le
pneu arrière. Le fait de maintenir un régime peu élevé améliore la tenue de route de la moto. En effet, un régime
faible diminue l’effet gyroscopique du vilebrequin rendant la moto plus maniable lors de changements d’inclinaison.
La vitesse de votre auto (Va) est fonction des rapports de transmission (Rt), du rapport de différentiel (Rd), du
diamètre extérieur des pneus (Drm), puis évidemment du régime de votre moteur (RPM). Sur les motos, il faut aussi
tenir compte d’un autre ratio entre le vilebrequin et l’arbre d’entrée de la transmission.
Va = RPM x Drm / Rd / Rt / 5305
(5305 = 1000mm/1m x 1000m/1km x 1hr/60min x pi)
La chute du régime du moteur lors du passage des rapports est :
RPM1-2, Passage de 1 à 2 : RPM x (1 – Rt2/Rt1)
Exemple d’une Lotus Elise 111R :
RPM maximum : 8 500 rpm
Rt1 :
3.167 (38/12, 38+12=50)
Rt2 :
2.05
(41/20, 41+20=61)
Rt3 :
1.481 (40/27, 40+27=67)
Rt4:
1.167 (35/30, 35+30=65)
Rt5:
.917
(33/36, 33+36=69)
Rt6:
.811
(30/37, 30+37=67)
Rd:
4.53
Drm : 634 mm
On obtient ainsi :
Va1 :
Va2 :
Va3 :
Va4 :
Va5 :
Va6 :
71 km/h
109 km/h
151 km/h
192 km/h
245 km/h
277 km/h
De là, on peut calculer les différences de vitesses entre chaque rapport :
38 (1-2), 42 (2-3), 41 (3-4), 53 (4-5) et enfin 32 (5-6)
RPM1-2 : 3000 rpm
RPM2-3 : 2360 rpm
RPM3-4 : 1802 rpm
RPM4-5 : 1820 rpm
RPM5-6 : 983 rpm
J’ai pris cet exemple car il est particulièrement intéressant. Pour ceux qui connaissent cette voiture, c’est un moteur
de type VVT-L, avec un système d’arbre à cames à deux niveaux. Dans les faits, le moteur n’a pas grand puissance
en dessous de 6 200 rpm. En regardant les chiffres, on remarque que lors du passage du rapport 1 à 2, le moteur
chute à 5 500 rpm, soit 700 rpm sous la barre des 6 200 rpm, là où se met en branle l’arbre à cames donnant la
puissance de ce petit moteur. Donc, ici, un peu décevant. Il y a aussi une autre aberration (qui a néanmoins ses
178
justifications), ça se passe aux passages entre les rapports 4 à 5 et 5 à 6. On peut voir que le rapport 5 est
particulièrement long, puis que le rapport 6 est particulièrement court par rapport au 5. C’est entre autre l’historique
de la boîte qui donne la réponse. Cette boîte provient d’une Toyota dont le rapport de réduction de la 6 est de .725.
Le rapport 5 a toutefois été conservé. Sur piste, cette brèche entre les rapports 4 et 5 est un handicap majeur avec
le moteur d’origine. Toutefois, d’origine, le moteur n’est pas assez puissant pour que l’auto atteigne sa vitesse
maximale en 6, en ce sens, le rapport d’origine plus élevé en 5 permet d’obtenir une vitesse de pointe maximale
plus élevée.
Dans le cas où nous ne sommes pas satisfaits des rapports existants, il est parfois possible de faire usiner un jeu
d’engrenages pour obtenir un rapport spécifique à des coûts raisonnables. Dans ce cas, un jeu d’engrenage avec
un rapport de .97 permet d’obtenir :
Va5 : 235 km/h
43 (4-5), 42 (5-6)
RPM4-5 : 1435 rpm
RPM5-6 : 1383 rpm
Figure 22-7, Jeu d’engrenage fait sur mesure pour remplacement dans une boîte d’origine
Si vous comptez vous faire fabriquer des engrenages spécifiques à votre utilisation, un petit truc pour trouver un
rapport réalisable est de prendre un nombre de dents totales d’un jeu d’engrenage existant de votre boîte. Si l’on
revient à l’exemple précédent, les rapports 3 à 6 ont un nombre total de dents entre 65 et 69. Sans aller trop dans
les détails, cela indique que les engrenages ont été fabriqués avec le même outil, et qu’il est possible de jouer sur
les distances de pénétration de l’outil dans cette zone sans risque de créer des dents de formes non appropriées.
Le rapport modifié de .97 est justement basé sur ce critère. Le ratio de .97 correspond à des engrenages 32/33,
pour un nombre total de dents de 65, ce qui est conforme à ce qui fut fait pour les rapports 3 à 6. Enfin, le rapport de
1 n’est pas recommandé sauf si la transmission est en prise directe. Un rapport de 1 fait en sorte que les dents des
engrenages voient continuellement la même dent de l’autre engrenage.
Un moteur pointu gagne beaucoup à avoir des rapports très rapprochés. Un moteur turbo s’accommode très bien
d’une transmission avec un étagement plus espacé.
Idéalement, chaque circuit demande un jeu complet différent d’engrenages. On ne devrait jamais changer de
rapport rendu très près d’un virage. À la sortie des virages, on devrait toujours être à un régime entre le régime du
couple maximal et le régime de la puissance maximal. Les écuries de courses utilisant des transmissions de
compétition telles que des Hewland possèdent de grosses boîtes pleines de jeux d’engrenages afin d’obtenir les
meilleurs rapports pour la piste.
Les transmissions sont à cassette sur les motos de compétition, ce qui permet de sortie la boîte d’engrenage de la
base du moteur. Lorsque la transmission n’est pas à casette, le fait de vouloir changer un rapport demande la
dépose et le démontage du moteur.
179
Figure 22-8, Courbe de puissance simplifiée
Figure 22-9, Accélération d’un véhicule pour deux boites d’engrenages
Le ratio de réduction des engrenages a beaucoup d’effet sur la façon dont la puissance est passée. Si votre moteur
développe 300 HP à 8 500 rpm, que le régime limite est de 8 500 rpm, puis que le régime moteur tombe de 3 000
rpm au passage d’un rapport, il devient clair que votre auto accélérera moins rapidement qu’une auto ayant 300 HP
à 7 250 rpm pouvant lui-aussi tourner à 8 500 rpm. Dans ce cas, c’est davantage la puissance moyenne qui compte.
Si l’on était capable facilement de mettre le graphique de la puissance en fonction du temps, il serait tout à fait
rigoureux de dire que c’est l’énergie sous la courbe qui dicte les performances, car la puissance sur une période de
temps donne l’énergie. On peut déterminer avec approximation l’effet de la courbe de puissance en utilisant l’aire
sous la courbe de puissance, mais en pratique, l’écart se creuse davantage par rapport à la pratique, car un moteur
ayant une puissance moyenne plus faible prend plus de temps pour passer les 3 000 rpm en question. Mais
regardons tout de même deux courbes de puissances simplifiées telle que montrées à la Figure 22-8. Les valeurs
sont bien entendu arbitraires, mais dans une certaine mesure réalistes. Les deux moteurs ont donc la même
180
puissance qui est de 300 HP. On peut néanmoins analyser l’aire sous la courbe. À puissance égale, l’aire sous la
courbe de la bande de puissance de droite à un avantage de près de 10 % (820000/750000-1). Évidemment, si l’on
reprend la même approche pour une chute de régime de seulement 1 000 rpm, la courbe de droite a un avantage
de seulement 3 % (292000/283333-1). C’est pour cette raison que le régime maximal d’un moteur devrait toujours
être plus élevé que le régime du HP maximum, c’est encore plus vrai avec des rapports de vitesse espacés.
La Figure 22-9 montre la différence d’accélération théorique en fonction de la vitesse d’un véhicule, et ce, pour deux
boîtes différentes. La première est la boite d’origine modifiée au niveau du rapport 5. La deuxième est une boîte à
rapport très rapproché fabriqué par KAAZ et dont le rapport 6 est modifié ainsi que le rapport de pont.
22.3
CAPACITÉ
Tout comme l’embrayage, la capacité d’une transmission est fonction du couple maximal du moteur. C’est souvent
difficile de trouver ces valeurs, c’est souvent l’expérience qui dicte les limites. Les dents des engrenages pourront
faire passer un certain couple avant qu’elles cassent. Il y a aussi l’effet de fatigue du matériau. Outre les dents, il y a
aussi la flexion des arbres. Les engrenages tentent de se séparer les uns des autres sous un angle de poussée qui
est fonction de l’outil de coupe, soit 14.5, 20 ou 25 degrés, 20 degrés étant le plus fréquent. Cette force crée la
flexion des arbres. L’arbre primaire est le plus critique dans la mesure où il est de plus petit en diamètre.
Dans certaines applications, les transmissions manuelles possèdent des pompes internes pour leur lubrification, il
est alors possible d’installer un radiateur afin de refroidir l’huile. L’échauffement de l’huile de la transmission est
fonction de la puissance, la chaleur est causée par la friction.
22.4
DIFFÉRENTIEL / RAPPORT DE PONT
Le terme différentiel est utilisé avec abus, car lorsqu’on utilise l’expression « ratio du différentiel » on parle
essentiellement du rapport de pont, mais il y a beaucoup de variations que vous trouverez. En anglais on verra
souvent « final drive », mais le terme porte lui aussi à confusion, mais ce n’est pas bien important. J’en fais mention
car en réalité, un différentiel n’a pas vraiment de rapport. Le différentiel est uniquement la section qui permet aux
deux roues motrices de ne pas être engagé comme un arbre unique, tel qu’on retrouve sur les karts. Un différentiel
qu’on dit ouvert permet une variation de vitesse de la roue gauche par rapport à la roue droite. Cette variation est
fonction du besoin, du glissement des roues, du rayon du virage, etc. Sur un différentiel ouvert, si le compteur de
vitesse indique 40 km/h, puis qu’on bloque une roue, la roue libre tournera à l’équivalent de 80 km/h.
Dans le monde de l’auto américaine se trouve le paradis. Le choix de rapport de pont est tout à fait émouvant, avec
des prix d’un niveau très accessible. Lorsque possible, une façon d’obtenir des rapports de transmission plus courts
est d’installer un rapport de pont plus élevé.
Au niveau du différentiel lui-même, il y a différents types des plus simples aux plus compliqués. Je n’entrerai pas en
détail dans les différents systèmes autobloquants (barrés dans le jargon). Il faut néanmoins savoir qu’il y a différents
types dont chacun à ses avantages et ses désavantages. Les voitures d’accélération utilisent des différentiels très
simples, le but étant de s’assurer de transmettre autant de puissance sur les deux roues en ligne droite. On parle
parfois de système avec blocage avec des dents. Si vous faites un double usage de votre auto, vous irez
probablement vers un système avec disque de friction. C’est simple et efficace, ce principe permet tout de même de
tourner en virage dans la vie de tous les jours.
Il y a ensuite des différentiels à engrenages qui sont préférés par les coureurs de circuit routier. Ces systèmes
autorisent une certaine variation de vitesse des deux roues d’un même essieu. Ces différentiels sont ajustables
avec des ressorts, mais ce n’est pas la pièce qu’on ajuste en 10 minutes. C’est clair qu’en sortie d’un virage lent, un
tel différentiel offrira une possibilité de passer la puissance de façon optimale. En contrepartie, le différentiel peut
causer un effet sur la tenue de route. Il y a des écoles de pensée qui s’opposent. Moi j’ai toujours couru avec des
autos à moteur central très légères de l’avant, et disons que je n’ai pas été charmé par les différentiels
autobloquants. Le problème devient plus évident sur les pistes dont les virages varient beaucoup au niveau de leurs
rayons de courbures. Les courses de slaloms ont quant à elles moins de variations de rayons de courbe, et compte
tenu de la vitesse des autos, un différentiel autobloquant peut devenir particulièrement intéressant. Mais je crois que
je serais probablement plus optimiste avec une voiture à traction avant. Les avis sont donc très partagés à ce sujet,
et il y a même des voitures dont le différentiel est littéralement soudé afin de ne pas permettre à une roue de glisser
en accélération.
Pour ma part, je fonctionne avec des différentiels ouverts dépourvus de système autobloquant. Je crois que c’est
bien personnel, que cela est fonction de notre application et de notre style de conduite.
181
23
Comme nous avons vu dans les chapitres précédents, le fait d’augmenter le taux de compression ou d’augmenter la
pression de suralimentation peut causer de l’auto-allumage. En vue de diminuer ce risque, une approche peut être
utilisée, soit celle d’injecter de l’eau, ou bien un mélange eau/méthanol dans les tubulures d’admission.
L’injection d’eau dans l’air contenu dans les tubulures d’admission fait abaisser la température de celle-ci. L’eau a la
propriété de demander beaucoup de chaleur pour faire augmenter sa température, le passage de l’état liquide à
l’état gazeux demande aussi beaucoup d’énergie. Ainsi, l’eau injectée dans l’air capte la chaleur et de ce fait,
l’équilibre se fait à une température plus faible que sans l’injection d’eau.
Au lieu de l’eau, il est aussi possible d’injecter un mélange d’eau/méthanol. Le méthanol est aussi connu sous le
nom d’alcool méthylique. Cet alcool est aussi un carburant, mais ayant un taux d’octane plus élevé que l’essence.
Le mélange eau/méthanol permet de diminuer la température de l’air et d’augmenter l’indice d’octane afin de
diminuer le risque d’auto-allumage. Si vous optez pour ce mélange, il peut devenir difficile de trouver du méthanol,
ce n’est pas disponible à tous les coins de rue. Le mélange souvent préconisé est 50/50. La façon la plus simple de
se procurer le méthanol est de l’acheter déjà mélangé, ce mélange est tout simplement le lave-glace que vous
mettez dans votre voiture. Il faut néanmoins porter une attention particulière, certains mélanges contiennent des
détergents, ce qui n’est pas recommandé. Il faut des mélanges le plus purs possible, la bonne nouvelle est que ces
mélanges sont les plus économiques. Les mélanges indiqués pour une température de -35 degrés Celsius ont une
proportion de méthanol entre 35 et 45 %. Les mélanges indiqués pour une température de -45 degrés Celsius ont
quant à eux une proportion de méthanol entre 45 et 50 %. Il n’est pas recommandé d’utiliser du méthanol pur, le
méthanol est un combustible dangereux, lorsqu’il s’enflamme, les flammes ne sont pas visibles. Vous pouvez aussi
faire votre propre mélange en vous procurant l’alcool méthylique dans une quincaillerie. Pour le mélange, il faut
utiliser de l’eau distillée.
Pour ce qui est des gains possibles en termes de performance, disons que les manufacturiers de ces systèmes
laissent miroiter des résultats spectaculaires. Vous pourrez voir des promesses d’augmentations de puissance de
l’ordre de 20 %, un moteur plus propre (bien oui, c’est de l’eau après tout), une économie de carburant et bien
d’autres. Il peut y avoir un gain possible, mais je ne crois pas que ce soit à la mesure des promesses. Mon
expérience personnelle se limite à un gain de 1 HP sur près de 240 HP, avec un moteur utilisant un des pires
compresseurs au niveau de l’efficacité, soit un Root, et des pistons offrant un rapport volumétrique de 10.3 (11.5
selon les données du moteur). Toutefois, la cartographie d’allumage n’était pas modifiée, j’utilisais de l’eau
uniquement. Le débit d’eau optimal était très faible.
Figure 23-1, Système d'injection Coolingmist
J’ai tendance à aborder les systèmes d’injection d’eau (ou eau/méthanol) comme un gros diachylon. Si le but est de
diminuer la température de l’air entrant dans le moteur pour les systèmes suralimentés, il est de loin préférable
d’installer un échangeur air-air. Mais parfois, il devient trop difficile d’installer un échangeur, alors il y a cette option
est là. Mais de là à décider de concevoir un moteur autour du potentiel du système d’injection d’eau, je doute que ce
soit une sage décision. Imaginez que vous manquez d’eau. Néanmoins, on peut parfois voir des manuels
techniques qui mettent en doute la fiabilité de ces systèmes. Les systèmes sont maintenant dotés de contrôleurs
sophistiqués et utilisent des pompes de qualités. On peut dire que ces solutions devraient être fiables pour les
systèmes de qualité. J’ai tendance à croire que lorsque des solutions présentent beaucoup d’avantages, les
manufacturiers mettent beaucoup d’informations techniques sur leurs sites. Pour les systèmes d’injection d’eau,
disons que les manufacturiers sont peu bavards sur les recettes à respecter.
182
Cela dit, il y a plusieurs systèmes qui sont offerts sur le marché, et depuis peu, il y a un choix vraiment intéressant
de systèmes de qualités. Quelques manufacturiers offrent des produits intéressants tels qu’Aquamist, Coolingmist,
et enfin, Snow Performance pour ne citer qu’eux. Le fonctionnement est simple, un contrôleur capte la pression
dans le collecteur d’admission, puis lorsqu’une pression minimale est atteinte, le système débute à injecter de l’eau
dans le collecteur d’admission. À mesure que la pression augmente, le débit d’eau devient plus important jusqu’à
atteindre un maximum que vous avez défini.
Maintenant, si vous voulez installer un système d’injection d’eau, soit pour diminuer le risque d’auto-allumage ou
pour possiblement augmenter les performances de votre moteur, il y a certaines choses auxquelles il faut s’attarder.
Il faut s’assurer que la pulvérisation du liquide soit de qualité, ceci demande qu’un atomiseur de qualité soit utilisé et
alimenté par une pompe offrant une pression élevée. Le débit doit être réglable en fonction de la pression de
suralimentation. Il faut s’assurer que le liquide se mélange uniformément avec l’air, que chaque cylindre se voit
fournir le même volume de liquide. Pour ce faire, il faut placer stratégiquement l’atomiseur. Avec un compresseur
volumétrique de type « Root », il est préférable d’installer l’atomiseur en amont. Pour les autres types de
compresseur, tels que les turbos, il faut mettre l’atomiseur en aval.
J’espère que la lecture de ce manuel vous a permis
de trouver de l’information utile pour vos futurs
projets. Merci.
Des copies papiers peuvent être disponibles du
manuel version 1, informez-vous!
183
24
Français
Admission
Alésage
Allumage
Arbre à cames
Bielle
Bobine d’allumage
Bougie
Carter
Chemise
Collecteur d’échappement
Couple
Course
Coussinet
Culasse
Culbuteur
Débit
Durée
Échappement
Embrayage
Engrenage
Huile
Levée
Maneton
Palier
Papillon d’admission
Pignon
Piston
Point mort bas
Point mort haut
Poussoir
Puissance
Réglage de l’allumage
Ressort
Roulement
Segment
Silencieux
Soupape
Temps
Tourillon
Tubulure d’admission
Vilebrequin
Volant, volant d’inertie
Anglais
Intake
Bore
Ignition
Camshaft
Connecting rod, or Conrod
Coil
Spark plug
Oil pan
Sleeve
Exhaust manifold
Torque
Stroke
Journal bearing
Cylinder head
Rocker
Flow
Duration
Exhaust
Clutch
Gear
Oil
Lift
Crankpin, on Conrod
Bearing
Throttle body
Sprocket
Piston
Bottom dead center
Top dead center
Lifter
Power
Timing
Spring
Bearing
Piston ring
Muffler
Valve
Stroke
Crankshaft main bearing axle
Intake manifold
Crankshaft
Flywheel
184
25
ABRÉVIATION
Le choix des unités utilisées dans ce manuel est issu d’un choix bien personnel. Le but était d’obtenir des valeurs
qui répondent à la fois à la tendance des mesures métriques, epuis d’avoir des unités qui sont du vocabulaire
populaire. Pour être rigoureux, toutes les forces auraient eu comme unité le Newton, la puissance aurait été en
Watt, ou Kilowatt, les accélérations en m/s etc. Certains puristes y verront probablement une simplification, je tiens
déjà à m’excuser.
Abréviation
A
AFR
B
Bl
C
Cr
Cm
Ct
Cx
DC
Drm
E
Ec
EGT
Et
F
Fa
Fc
Ft
Fr
Ff
G
J
K
Lm
m
Pf
Plm
Pm
PMB
PMH
Psi
Pt
R
Rt
Rt1 à Rt6
Rd
RPM
S
Su
Sv
Sy
Va
Vc
Vj
Vm
Vmc
Vpc
Vt
Frm
Vp
Ag
Np
Ns
Définition
Accélération relative en proportion de G
Rapport Air / Essence, par masse (Air Fuel Ratio)
Diamètre des cylindres dans le moteur, Alésage
Longueur de la bielle
Couple
Couple aux roues
Couple à la sortie du moteur
Couple à la sortie de la transmission
Coefficient aérodynamique
Période d’usage des injecteurs (Duty Cycle)
Diamètre des roues motrices
Module d’élasticité d’un matériau
Rendement d’un compresseur
Température des gaz d’échappement (Exhaust Gas Temperature)
Rendement thermique
Force
Force d’accélération en kg
Force comprimée des ressorts
Force de trainé aérodynamique
Force de résistance de roulement
Force de friction
Accélération gravitationnelle
Joules
Module de rigidité d’un ressort
Levée maximale des soupapes
Masse du véhicule
Puissance requise pour vaincre la friction
Puissance par litre par 1000 RPM
Puissance à la sortie du moteur
Point mort bas
Point mort haut
Pression, livre par pouce carré (pound square inch)
Puissance à la sortie de la transmission / différentiel
Rapport de compression
Rapport de la transmission
Rapport de vitesse de la transmission
Rapport du différentiel
Rotation par minutes
Course des pistons dans le moteur
Limite de contrainte ultime d’un matériau
Surface frontale du véhicule
Limite de contrainte élastique d’un matériau
Vitesse du véhicule
Volume de la chambre de combustion
Volume du joint de culasse
Cylindré du moteur
Cylindré par cylindre individuel
Volume de la chambre de combustion dans le cylindre
Volume de la cambre de combustion de la culasse
Force du pneu sur le pavé
Vitesse moyenne des pistons
Accélération relative par rapport à la gravité terrestre
Nombre de dents de l’engrenage de l’arbre primaire
Nombre de dents de l’engrenage de l’arbre secondaire
185
Unité manuel
mm
mm
N.m
N.m
N.m
N.m
%
mm
Mpa
%
deg. C ou F
kg
kg
N
kg
kg
kg
2
9.81 m/s
J
N/mm
mm
kg
HP
HP/l.1000rpm
HP
psi
HP
rpm
mm
Mpa
2
m
Mpa
Km/h
cc
cc
cc
cc
cc
cc
Kg
m/s
g
-
26
CONVERSION
1 Btu/lb = 2321 J/kg = .002321 MJ/kg
1 Btu/lb F = 4178 J/kg C = .00418 MJ/kg C
1 cfm = 28.317 l/min
1000 CC = 61.02 pouces cube
100 pouces cube = 1638.7 CC
N.m
11.3
100
136
981
Kg.m
1.2
10.2
13.9
100
Couple
lb.pied
8.3
73.6
100
722
Kelvin
1088
853
403
393
383
373
363
353
343
333
323
273
255
0
Température
C
F
815
1499
580
1076
130
266
120
248
110
230
100
212
90
194
80
176
70
158
60
140
50
122
0
32
-18
0
-273
-460
m
1
400
402.3
1609.3
Distance
km
pieds
0.001
3.2808
0.400
1312.3
0.402
1320
1.609
5280
Puissance
Ib.pouce
100
883
1200
8661
Rankine
1959
1536
726
708
690
672
654
636
618
600
582
492
460
0
mile
0.0006
0.2485
0.25
1
Kilowatts
HP
0.736
0.746
74.6
0.986
1.000
100
HP
métrique
1.000
1.014
101.4
0.5
1
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14.7
29
30
45
60
75
90
Pression
Pouce
de
KPa
mercure
(in. Hg)
3.4
1.0
6.9
2.0
34.5
10.2
41.4
12.2
48.3
14.3
55.2
16.3
62.0
18.3
68.9
20.4
75.8
22.4
82.7
24.4
89.6
26.5
101.3
29.9
200
59.0
206.8
61.1
310.2
91.6
413.6
122.2
517.1
152.7
620.5
183.2
m/s
20
27.78
44.7
30.5
Vitesse
km/h
pied/s
72.0
65.62
100
91.13
160.9
146.7
109.7
100
Psi
186
Bar
0.03
0.07
0.34
0.41
0.48
0.55
0.62
0.69
0.76
0.83
0.90
1.01
2
2.07
3.10
4.14
5.17
6.21
mph
44.7
62.1
100
68.2
27
HISTOIRES COCASSES
L’expérience se forge parfois au prix de beaucoup de travail et d’argent. J’ai donc décidé de faire rire de moi en
écrivant quelques petites anecdotes que j’ai vécues lors de mes expérimentations. Oui, j’ai souvent eu beaucoup de
problèmes, disons que j’ai souvent sauté à pieds joints dans des programmes d’essais personnels dignes de projets
de R&D. Pour des raisons de crédibilité, j’ai probablement omis les histoires les plus cocasses! Amusez-vous bien!
27.1
Mes premiers pas
Mon frère ainé m’a légué à l’âge de mes 13 ans une mobylette. Ici on parle donc de véhicule haute-performance, on
s’entend. Je l’ai reçu déjà modifiée au niveau du moteur, mais la fiabilité était relative, demandant une remise à neuf
annuelle. Ce fut le premier moteur avec lequel je passais de longues nuits d’hiver. La mobylette était un Yamaha
Québecois 1977. En version modifiée, la petite bête atteignait près de 100 km/h, puis la consommation en essence
était la même qu’une moto de plus de 550 cc. C’est l’époque où je croyais que les freins avant étaient moins
importants que les freins arrière. Évidemment, lorsque j’entrepris beaucoup plus vieux de passer beaucoup de
temps sur la roue avant en freinage, il était clair que ma vision avait changée.
27.2
Ma pauvre Suzuki GSX-R1100
Oui, ma pauvre GSX1100. Il n’y a rien que je n’ai pas fait sur cette moto. Plus jeune j’avais roulé en motocross, en
motoneige, et finalement la GSX arriva dans ma vie alors que j’étais âgé de 20 ans. C’est mes prêts étudiants qui
financèrent cet achat, et les circulaires m’indiquaient ce que j’allais manger au cours de la semaine. Le fait que je
chutais une fois par année sur la voie publique (mais je ne demandais pas de réclamation lorsque j’étais coupable
de mes chutes et c’était pas mal toujours le cas), je devais donc rebâtir ma moto annuellement. Fauché, je
récupérais des pièces de différentes motos pour assembler la mienne. Je me retrouvai donc avec par exemple des
freins et un silencieux de Yamaha FZR.
Au moment de la vendre, elle fonctionnait très bien, mais avait une apparence digne des films « Mad Max ». Le
moteur avait subi d’intenses changements alors que mon employeur du moment me laissait travailler sur les tours et
fraiseuses, c’est fou ce qu’on peut faire avec ça! Lors de la vente, j’avais fourni un petit manuel indiquant comment
le moteur était assemblé. Quelques années plus tard, je reçus un appel me demandant de l’aide, car le mécanicien
d’un garage avait remarqué quelques anomalies et avant de crier gare, il avait réassemblé le moteur selon le
manuel d’origine. La moto ne voulut plus démarrer.
Bien que vieillissante au moment de la vente, elle était plus rapide et avait une meilleure tenue de route que les
nouvelles motos de l’époque. Ma nouvelle moto, une CBR900RR, peinait à suivre le même rythme.
Figure 27-1, GSX1100 1986 ayant vécue beaucoup de misères
27.3
Réduction de la masse du générateur d’une Honda CBR900RR
Une moto est quelque chose de toujours trop lourd. Dans ma quête de réduire le poids, j’usinais à peu près tout sur
ma moto, une CBR900RR. La moto utilisait un générateur pour fournir la puissance électrique. Les aimants
permanents étaient incorporés dans un rotor en acier très lourd. J’entrepris donc de fabriquer un rotor en aluminium
recevant les aimants permanents d’origines. Techniquement, ce fut une très belle réalisation. Toutefois, le
générateur n’était plus en mesure de générer assez de courant. Je conclus que la section d’acier autour des
aimants était donc nécessaire.
187
Sur cette moto, j’ai même usiné la pièce de pivot de fourche qui était à l’origine en acier pour la mettre en
aluminium.
Figure 27-2, Un générateur qui ne génère pas
27.4
Modification d’un moteur de Porsche 914, moteur VW 2.0 l
Ma première auto sport fut une Porsche 914 utilisant un moteur Volkswagen de 2.0 litres refroidi à l’air ayant une
configuration H4.
Je m’étais acheté cette voiture avec la résolution de ne pas la modifier (combien de fois me suis-je dis cela???). À
un feu rouge, lorsque la Chevette à côté de moi décolla plus rapidement que j’en étais capable, la résolution tomba.
Imaginé, se faire planter par une Chevette (1.6 l, probablement de couleur brune).
Je me mis en tête de modifier le moteur avec un minimum d’argent (l’achat de la voiture ne m’avait pas laissé de
tirelire en réserve). J’usinai tout afin de faire grimper le rapport volumétrique à 11 du 8 qu’il était au départ. J’usinai
ainsi les pistons, les cylindres, les culasses. Je trouva des carburateurs Webers usagés, assembla le tout avec un
arbre à cames incroyable, puis des ressorts pouvant supporter une augmentation de régime spectaculaire (le
moteur était à course très courte). J’avais même installé un système de gicleurs d’huile pour arroser le dessous des
pistons.
La vie du moteur fut très brève, soit à peine 30 minutes. Je n’avais pas changé les poussoirs en contact avec l’arbre
à cames. Leurs duretés ne permettaient pas l’utilisation de ressorts aussi ferme que ceux que j’avais installés.
Je le remonta avec des ressorts plus mous et un arbre à cames plus conservateur, le résultat fut finalement très
correct.
Mais ne me parlez plus de travailler sur ces moteurs.
27.5
Modification d’un moteur Renault
À un moment, je faisais de la course avec une auto utilisant un moteur Renault Gordini de 1.6 litre. Le moteur était
modifié avec des pièces pigées ici et là. Et à l’exception des carburateurs Dell’orto 45 mm achetés neufs, le coût de
moteur était demeuré assez faible, le résultat était fiable (au niveau du moteur, à condition de changer les
coussinets de bielle à toutes les 6 à 8 heures), et produisant tout de même un bon 150 – 160 HP.
Figure 27-3, Moteur Renault
188
Je me décida un hiver de me bâtir un nouveau moteur avec ce qu’il y a de mieux. Je me commanda des pistons
forgés JE, un arbre à cames provenant directement de France, etc.
Je remarqua que les pistons étaient fabriqués avec un jeu important au niveau de la section sous les segments afin
de permettre une dilatation thermique importante, mais bon, j’imaginais que c’était correct, ce n’était quand même
pas moi le spécialiste.
L’arbre à cames de mes rêves arriva enfin, et les mesures prises démontrèrent qu’il était identique à mon vieil arbre
à cames que j’avais acheté pour une bouchée de pain.
Les cylindres usèrent en moins de 3 heures et mon vieux moteur retourna dans l’auto.
Au fait, ce moteur est un des plus beaux moteurs que l’on peut trouver avec un arbre à came en base, c’est
étonnant!
27.6
Tubes d’échappement
Il y a peu de temps, je décidai de ne pas lésiner, et au lieu de me faire mon propre tuyau d’échappement, je décidai
d’en acheter un de marque Larini à un prix excessif. Je fis de même pour le silencieux (un Borla) qui selon la fiche
technique devait avoir un niveau de bruit adéquat.
Le tuyau Larini cassa après moins de 2 heures sur circuit, et du coup, le silencieux se brisa lui aussi. Pour le
silencieux, ce n’était pas une grosse déception, il était beaucoup trop bruyant pour pouvoir participer à certaines
journées d’essai sur piste.
Finalement, de retour à la case départ, j’ai fabriqué le système d’échappement en utilisant des tubes en J, et en
modifiant mon échappement d’origine. J’ai ensuite roulé des heures sans problème.
C’est quand même triste d’acheter des pièces qui ne font pas leurs tâches, surtout lorsqu’on a de bonnes intentions.
27.7
Faire tourner une transmission à l’envers
Lorsque je dis que j’ai essayé toutes sortes de choses… J’ai donc installé un moteur de Honda H22A dans une
Lotus Europa 1969 en la couplant à la transmission de la voiture, soit une transmission de type « transaxle » afin de
conserver une architecture d’un moteur monté en ligne avec la transmission.
Pour ceux qui l’ignorent, un moteur H22A tourne à l’envers des moteurs traditionnels. Je me fis donc une
transmission avec un différentiel inversé basé sur une boîte NG3 de Renault, usina des pièces pour le guidage des
tiges de fourchettes, assembla le tout.
Figure 27-4, Lotus Europa avec moteur H22A
Le résultat? Carrément démente, et après plusieurs réglage de suspensions, la voiture était devenue un petit missile
sur piste. Le moteur produisait 230 HP et le poids de la voiture se limitait à 700 kg.
Il y a un hic. La transmission n’était pas en mesure de supporter l’effort opposé produit pas l’engrenage de pont, et
une stupide butée de roulement ne cesse de casser malgré la conception de butées plus solides.
189
27.8
La préparation d’une Lotus Elise
C’est une des deux voitures avec lesquelles je roule au moment d’écrire ces lignes. Elle est rapide la petite Elise,
mais que le moteur est capricieux. Lorsque j’ai acheté cette voiture, je me suis dit qu’au moins le moteur serait
fiable. La voiture est extrêmement fiable sauf tout ce qui Toyota! Le moteur est préparé avec une puissance de près
de 370 HP. J’ai compris après de nombreux essais que le moteur perd toutes fiabilités si le moteur tourne trop
rapidement. J’ai vraiment essayé plein de trucs, soupapes haut de gamme, ressort pas trop ferme, rien à y faire, les
soupapes cassent. Sinon, c’est la pompe à l’huile… l’enfer. Rien à voir avec la puissance, juste la révolution du
moteur. La transmission Toyota est aussi fragile, mais un kit d’engrenage pas trop cher a réglé le problème. Pas la
plus rapide des voitures, mais tellement agréable à piloter.
Figure 27-5, Ma voiture!
190
28
RÉFÉRENCE
Commentaire sur certaines références :
Certaines références sont particulièrement intéressantes. Le manuel d’A. Graham Bell est très complet en donnant des
informations générales très pertinentes. Le niveau théorique n’est pas toujours de premier plan, mais c’est une excellente
référence. Les manuels de Corky Bell sont définitivement de merveilleuses petites bibles d’information, mais ce sont des
manuels plus spécialisés. Comme ce manuel, les manuels sont souvent généraux, mais les manuels spécialisés ne sont pas
toujours à la hauteur des espérances. Toutefois, les manuels spécifiques à certains types de carburateur tel que le manuel de
Bob Tomlinson offre un niveau de détail des carburateurs Dellorto qu’aucun manuel général n’est capable d’offrir.
Les manuels très théoriques sont souvent très difficiles d’accès. Rarement on sera en mesure d’avoir des informations où les
auteurs se compromettent. Néanmoins, les manuels de Charles Fayette Taylor offrent plusieurs renseignements utiles.
De façon surprenante, plusieurs manufacturiers donnent beaucoup de renseignements utiles sur leur site ou avec les brochures
incluses avec leurs produits tels que MSD.
Si vous êtes intéressé par l’histoire des moteurs, je vous recommande de lire « les moteurs à essence des origines à nos jours »
de Michel Crochet, par ETAI. Vraiment du bonbon et presque comique, avec respect!
A. Graham Bell, Four-Stroke Performance Tuning Third Edition, Haynes, 2006
Beck Racing, Mounhouse, Nevada, USA, www.beckracing.com
Bob Tomlinson, The Dellorto Superformance, CB Tech Dept, CA, USA, 1989
Bosch Automotive Handbook 7Th Edition, Robert Bosch, Germany, 2007
Charles Fayette Taylor, The Internal combustion Engine in Theory and Practice Volume 1, THE M.I.T. PRESS, Cambridge, USA, 1985
Charles Fayette Taylor, The Internal combustion Engine in Theory and Practice Volume 2, THE M.I.T. PRESS, Cambridge, USA, 1985
Corky Bell, Maximum Boost, Bentley Publishers, Cambridge, USA, 1997
Corky Bell, Supercharged!, Bentley Publishers, Cambridge, USA, 2001
Darton Sleeves, Carlsbad, CA, USA, www.darton-international.com
Driven Racing Oil, www.drivenracingoil.com
Embee Performance, Santa Ana, CA, USA, www.embeeperformance.com
Joe Pettitt, High performance Honda Builder’s Handbook Volume 1, Car Tech, Inc., North Branch, USA, 2002
John B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, INC., USA, 1988
John Robinson, Motorcycle Tuning, A Newnes Book
D. M. Pirro & A.A. Wessol, Lubrication Fundamentals, second edition, CRC Press, USA
Machinery Lubrication, www.machinerylubrication.com
Machinery’s Handbook 25, Industrial Press Inc., New York, USA, 1996
Mahle, www.mahle.com
MSD IGNITION, Wiring Diagrams and Tech Notes (Part No. 9615)
Ross Racing Pistons, El Segundo, CA, USA, www.rosspistons.com
Summit racing Equipment, www.summitracing.com
RC Engineering, Inc., Torrance, CA, USA, www.rceng.com
Van Wylen Sonntag Desrochers, thermodynamique appliquée, Édition du renouveau pédagogique inc., Ottawa, Canada, 1981
Wikipedia, www.wikipedia.com
Wiseco Performance Products, Mentor, OH, USA, www.wiseco.com
191
Table des matières (détaillée)
1
1.1
MOTEUR 4 TEMPS
1.2
MOTEUR 2 TEMPS
1.3
MOTEUR DIESEL
1.4
CONFIGURATION DE MOTEUR
2
3
3.1
COUPLE
3.2
PUISSANCE
3.3
FIABILITÉ
3.4
COURSE D’ACCÉLÉRATION
3.5
COURSE DE CIRCUIT ROUTIER AUTOMOBILE
3.6
COURSE DE CIRCUIT ROUTIER MOTO
3.7
COURSE DE DRIFT
3.8
COURSE DE RALLYE
4
4.1
MASSE, FORCE ET MOMENT
4.2
INERTIE
4.3
PRESSION
4.4
RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX
4.5
COEFFICIENT DE FRICTION
4.6
QUELQUES ÉQUATIONS UTILES
5
5.1
MESURE DU RAPPORT DE COMPRESSION
5.1.1
MESURER Vt
5.1.2
MESURER Vpc
5.1.3
MESURER Vj
5.2
CHOISIR LE BON RAPPORT DE COMPRESSION
5.3
TEMPÉRATURE DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION
5.4
MODIFICATION DU RAPPORT DE COMPRESSION
5.5
CARBURANT
6
ADMISSION
6.1
INJECTION
6.1.1
FONCTIONNEMENT D’UN INJECTEUR
6.1.2
LOCALISATION DES INJECTEURS
6.1.3
AJUSTEMENT DU DÉBIT D’ESSENCE
6.1.4
CAPACITÉ D’UN INJECTEUR
6.1.5
ALIMENTATION DES INJECTEURS
6.1.6
PAPILLON D’ADMISSION
6.2
CARBURATEUR
6.2.1
SYSTÈME D’ALIMENTATION
6.2.2
QUELQUES POINTS À SURVEILLER
6.3
ADMISSION FORCÉE
6.3.1
TURBO
6.3.2
COMPRESSEUR VOLUMÉTRIQUE
6.3.3
TEMPÉRATURE D’ADMISSION
6.3.4
EXEMPLE DE CALCUL POUR UN COMPRESSEUR VOLUMÉTRIQUE
6.4
TUBULURE D’ADMISSION
6.5
FILTRE À AIR
6.6
BOÎTE À AIR
6.7
CAPACITÉ REQUISE DE LA POMPE À ESSENCE
6.8
REGULATEUR DE PRESSION D'ESSENCE
7
7.1
MATÉRIAU
7.2
CONCEPTION
7.3
SILENCIEUX / CATALYSEUR
7.4
PAPILLON DE CONTRÔLE DE RESTRICTION
7.5
ISOLATION THERMIQUE
7.6
SONDES
8
CULASSE
8.1
SOUPAPE
Les soupapes ont la tâche de sceller la chambre de combustion en phase de compression et de détente. Elles s’ouvrent et se
referment selon la commande de l’arbre à cames.
8.2
RESSORT
8.3
ARBRE À CAMES
8.3.1
PHASAGE ET LEVÉE
8.3.2
TYPE D’ARRANGEMENT
8.3.3
MESURE DE LA FORME DE LA CAME
8.4
CHAMBRE À COMBUSTION
8.5
CANALISATION D’ADMISSION
8.6
CANALISATION D’ÉCHAPPEMENT
8.7
MONTAGE
9
PISTON
9.1
MATÉRIAU
9.2
CONSTRUCTION
9.3
RECOUVREMENT
9.4
REFROIDISSEMENT
192
7
7
9
9
10
11
15
15
19
22
22
23
24
24
24
25
25
25
26
26
28
28
30
32
32
32
33
34
34
35
37
38
39
39
40
41
45
47
49
50
51
52
53
53
54
54
56
57
59
59
60
61
64
64
65
71
72
72
72
74
74
74
76
82
83
85
88
90
90
92
92
93
94
96
98
98
9.5
10
10.1
10.2
10.3
10.4
11
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
12
12.1
12.2
13
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
14
14.1
14.2
14.3
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
16
16.1
16.1.1
16.1.2
16.2
16.2.1
16.2.2
16.2.3
16.2.4
16.3
16.4
17
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
18
18.1
18.2
18.3
18.4
18.5
18.6
18.7
18.8
19
19.1
19.2
19.3
19.4
19.4.1
19.4.2
19.4.3
19.4.4
19.4.5
19.5
19.6
19.7
19.7.1
19.7.2
19.7.3
19.7.4
19.8
19.8.1
19.8.2
JEU AVEC LE CYLINDRE
SEGMENT
TYPE
MATÉRIAU
RECOUVREMENT
JEU DANS LE CYLINDRE
BIELLE
MODE DE BRIS DE LA BIELLE
EFFET SUR LA FIABILITÉ DU MOTEUR
MATÉRIAU
CONCEPTION
EFFET SUR LA PUISSANCE
VILEBREQUIN
FABRICATION
CONCEPTION
BLOC
MATÉRIAU
CHEMISE
ARCHITECTURE
VENTILATION
NETTOYAGE
COUSSINET
BRIS DES COUSSINETS
TYPE DE COUSSINETS
MONTAGE
ÉQUILIBRAGE
ÉQUILIBRAGE DES PISTONS ET DES BIELLES
ÉQUILIBRAGE DU VILEBREQUIN
EFFET DE LA CONFIGURATION D’UN MOTEUR SUR L’ÉQUILIBRAGE
VOLANT / BALANCIER HARMONIQUE
ÉLECTRIQUE
ORDINATEUR
ORDINATEUR DE CONTRÔLE DE MOTEUR (ECU)
ORDINATEUR DE CONTRÔLE DE L’ALLUMAGE
ALLUMAGE
DISTRIBUTEUR
SONDE DE POSITION DU VILEBREQUIN
COURBE D’ALLUMAGE
BOUGIE
RÉGIME D’ENGAGEMENT DU V-Tec
SONDES ET ACRONYMES USUELS
VENTILATEUR DE RADIATEUR
RADIATEUR
POMPE
RÉSERVOIR D’EXPANSION
LIQUIDE
POMPE
CARTER À L’HUILE
CARTER À SEC
SYSTÈME D’ACCUMULATEUR
PRESSION
SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT
FILTRE À L’HUILE
LOCALISATION DU FILTRE
QUELQUES ANNECDOTES SUR L’HUILE
HUILE MINÉRAL OU SYNTHÉTIQUE
GROUPES D’HUILES
GRADE DE VISCOSITÉ
VISCOSITÉ CINÉMATIQUE
VISCOSITÉ DYNAMIQUE
VISCOSITÉ HTHS
INDICE DE VISCOSITÉ
LE CHOIX DE VISCOSITÉ
ADHÉRENCE
EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR L’HUILE
LES NORMES
NORMES API
NORMES JASO
NORMES ILSAC
NORME ACEA
ADDITIFS
AMÉLIORATEUR DE VI
ZINC
193
98
100
100
101
101
101
103
103
103
104
104
105
106
106
107
110
110
110
111
113
113
114
115
116
117
118
122
122
123
123
124
125
126
127
127
129
129
131
131
132
135
136
136
138
138
139
140
141
142
143
143
144
145
146
147
148
148
149
150
152
153
154
156
157
158
159
159
160
161
161
161
161
163
163
163
163
164
165
19.8.3
19.8.4
19.8.5
19.8.6
19.8.7
19.8.8
19.8.9
19.8.10
19.9
19.10
19.10.1
19.10.2
19.11
20
20.1
20.2
20.3
21
21.1
22
22.1
22.1.1
22.1.2
22.2
22.3
22.4
23
24
25
26
27
27.1
27.2
27.3
27.4
27.5
27.6
27.7
27.8
28
MOLYBDÈNE
PHOSPHORE
SOUFFRE
DÉTERGENT
ANTIOXYDANT
ANTI-ACIDE
ANTI-MOUSSANT
EP
CHOIX ET INTERVALLE DE VIDANGE DE L’HUILE MOTEUR
HUILE À TRANSMISSION
VISCOSITÉ
LES NORMES
RACCORD HYDRAULIQUE
EMBRAYAGE
CAPACITÉ
TYPE
MATÉRIAU
VOLANT
MATÉRIAU
TRANSMISSION
TYPE
TRANSMISSION AUTOMATIQUE
TRANSMISSION MANUELLE
RAPPORT
CAPACITÉ
DIFFÉRENTIEL / RAPPORT DE PONT
ABRÉVIATION
CONVERSION
HISTOIRES COCASSES
Mes premiers pas
Ma pauvre Suzuki GSX-R1100
Réduction de la masse du générateur d’une Honda CBR900RR
Modification d’un moteur de Porsche 914, moteur VW 2.0 l
Modification d’un moteur Renault
Tubes d’échappement
Faire tourner une transmission à l’envers
La préparation d’une Lotus Elise
RÉFÉRENCE
165
165
165
165
166
166
166
166
166
167
168
168
168
169
169
170
170
171
171
172
172
172
172
177
181
181
182
184
185
186
187
187
187
187
188
188
189
189
190
191
LISTE DES FIGURES
Figure 1-1, Cycle complet d’un moteur 4 temps à allumage par bougie .................................................................................................................. 8
Figure 3-1, Courbe de puissance pour un moteur Honda H22A légèrement modifié ............................................................................................. 16
Figure 3-2, Force d’accélération versus vitesse .................................................................................................................................................... 16
Figure 3-3, Accélération d’un véhicule versus vitesse ........................................................................................................................................... 16
Figure 3-4, Courbe de puissance pour un moteur Rover V8 4.6 litres légèrement modifié..................................................................................... 18
Figure 3-5, Force d’accélération versus vitesse .................................................................................................................................................... 18
Figure 3-6, Accélération d’un véhicule versus vitesse ........................................................................................................................................... 18
Figure 3-7, Courbe de puissance d’une moto GSX1000 2005 ............................................................................................................................... 19
Figure 3-8, Force d’accélération d’une moto GSX1000 2005 ................................................................................................................................ 19
Figure 3-9, Courbe de la puissance par litre par 1000 rpm pour 3 moteurs ........................................................................................................... 20
Figure 3-10, Variation de l’accélération en fonction de la vitesse et de la puissance ............................................................................................. 21
Figure 3-11, Amélioration de l’accélération avec un gain de 18% de puissance (voir Figure 3-10) ........................................................................ 22
Figure 3-12, Voiture de Rudolphe Nadeau, 6,43 secondes sur le quart de mile .................................................................................................... 23
Figure 3-13, Lotus Europa de Sylvain Julien ......................................................................................................................................................... 23
Figure 4-1, Flexion ................................................................................................................................................................................................ 27
Figure 4-2, Cisaillement ........................................................................................................................................................................................ 27
Figure 4-3, Friction................................................................................................................................................................................................ 28
Figure 5-1, Rendement thermique théorique du cycle d’Otto ................................................................................................................................. 30
Figure 5-2, Mesure de Vt ...................................................................................................................................................................................... 32
Figure 5-3, Mesure de la position haute et intermédiaire du piston ........................................................................................................................ 33
Figure 5-4, Mesure du volume intermédiaire ......................................................................................................................................................... 33
Figure 5-5, Augmentation de la température causée par la compression .............................................................................................................. 35
Figure 5-6, Chambre de combustion d’une culasse............................................................................................................................................... 36
Figure 6-1, Injecteur d’essence ............................................................................................................................................................................. 39
Figure 6-2, Système d’admission multipoint .......................................................................................................................................................... 40
Figure 6-3, Système d’admission avec deux injecteurs ......................................................................................................................................... 40
Figure 6-4, Temps d’injection versus le régime du moteur .................................................................................................................................... 41
Figure 6-5, Séquence d’injection d’essence pour un moteur 4 cylindres à 6000 rpm ............................................................................................. 42
Figure 6-6, Séquence d’injection d’essence pour différents régimes de moteurs ................................................................................................... 43
Figure 6-7, Début d’injection versus la pression et le régime du moteur ................................................................................................................ 43
Figure 6-8, Système d’alimentation de base ......................................................................................................................................................... 47
Figure 6-9, Système d’alimentation avec retour au réservoir ................................................................................................................................. 48
Figure 6-10, Système d’alimentation avec deux pompes....................................................................................................................................... 48
Figure 6-11, Ensemble pompe-filtre-régulateur-sonde de Toyota provenant d’une Lotus Elise.............................................................................. 49
Figure 6-12, Papillon d’admission d’origine ........................................................................................................................................................... 49
Figure 6-13, Papillon d’admission de type DBW et la commande du pied ............................................................................................................. 49
194
Figure 6-14, Moteur MGB avec culasse « crossflow » .......................................................................................................................................... 50
Figure 6-15, Austin Healey 3000 avec 2 carburateurs SU..................................................................................................................................... 50
Figure 6-16, Lotus Europa avec un carburateur à 4 corps (V8 4.6 litres Rover) .................................................................................................... 51
Figure 6-17, Triumph TR8 avec 4 carburateurs 40mm (V8 4 litres Rover) ............................................................................................................ 51
Figure 6-18, Système d’alimentation pour carburateur.......................................................................................................................................... 52
Figure 6-19, Compresseur MP62 de type Root produit par Eaton ......................................................................................................................... 54
Figure 6-20, tubulure d’admission Shunk2 pour moteur Honda H22A ................................................................................................................... 58
Figure 6-21, Configuration d’une boîte à air .......................................................................................................................................................... 59
Figure 6-22, Modification inusitée du système de boîte à air d’une Porsche 914 .................................................................................................. 60
Figure 6-23, Kit de filtre à air Fujita ....................................................................................................................................................................... 60
Figure 6-24, Débit de la pompe à essence versus la puissance du moteur ........................................................................................................... 60
Figure 6-25, Caractéristiques typiques d’une pompe ............................................................................................................................................ 61
Figure 6-26, Régulateur de pression d’essence Aeromotive 13109 ...................................................................................................................... 62
Figure 7-1, Ensemble à « soudé vous-même » de Hedman Hedders ................................................................................................................... 64
Figure 7-2, Tube d’échappement cassé en inox ................................................................................................................................................... 65
Figure 7-3, Configuration d’un système d’échappement 4 dans 1 ......................................................................................................................... 66
Figure 7-4, Configuration d’un système d’échappement fait sur mesure ............................................................................................................... 67
Figure 7-5, Collecteur 4 dans 2 dans 1 de Hedman Hedders ................................................................................................................................ 68
Figure 7-6, Système d’échappement SLP PERFORMANCE ................................................................................................................................ 68
Figure 7-7, Silencieux de type à disque de Supertrapp ......................................................................................................................................... 70
Figure 7-8, Principe du silencieux d’origine de la Lotus Elise ................................................................................................................................ 71
Figure 7-9, Principe d’un silencieux FLOWMASTER ............................................................................................................................................ 71
Figure 7-10, Gauge AFR UEGO à bande large d’AEM ......................................................................................................................................... 73
Figure 8-1, Forme des soupapes .......................................................................................................................................................................... 75
Figure 8-2, Siège de soupape d’origine ................................................................................................................................................................ 75
Figure 8-3, Siège de soupape modifié .................................................................................................................................................................. 75
Figure 8-4, Différentes définitions de longueur d’un ressort de soupape ............................................................................................................... 76
Figure 8-5, Mouvement d’un ressort dans le temps .............................................................................................................................................. 78
Figure 8-6, Graphique levée des soupapes versus temps .................................................................................................................................... 80
Figure 8-10, Graphique levée des soupapes versus temps .................................................................................................................................. 81
Figure 8-11, Graphique levée des soupapes versus temps .................................................................................................................................. 81
Figure 8-12, Forme d’une came............................................................................................................................................................................ 82
Figure 8-13, Forme typique d’une came asymétrique ........................................................................................................................................... 82
Figure 8-14, Profil de came ré-usiné versus d’origine ........................................................................................................................................... 82
Figure 8-15, Diagramme de phasage d’un arbre à cames .................................................................................................................................... 83
Figure 8-16, Système d’avance hydraulique de came........................................................................................................................................... 84
Figure 8-17, Graphique de la levée de soupape versus la position du vilebrequin ................................................................................................ 85
Figure 8-18, Différents arrangements de système d’entrainement des soupapes ................................................................................................. 86
Figure 8-19, Culbuteur à rouleau avec visse de réglage ....................................................................................................................................... 87
Figure 8-20, Culasse Hémi d’un moteur de course d’accélération ........................................................................................................................ 88
Figure 8-21, Culbuteur Toyota pour système avec deux cames............................................................................................................................ 88
Figure 8-22, Mesure de la levée d’une soupape. .................................................................................................................................................. 89
Figure 8-23, Chambre de combustion................................................................................................................................................................... 90
Figure 8-24, Ensemble de tiges filetées et écrou de performance ......................................................................................................................... 92
Figure 9-1, Paramètre pour le calcul de la position du piston ................................................................................................................................ 93
Figure 9-2, Position du piston par rapport au point mort haut pour Bl = 138 mm, S = 82 mm ................................................................................ 94
Figure 9-3, Piston d’origine (Toyota 2ZZ).............................................................................................................................................................. 95
Figure 9-4, Piston d’origine endommagé par une soupape ................................................................................................................................... 95
Figure 9-5, Pièce forgée avant usinage ................................................................................................................................................................ 96
Figure 9-6, Piston forgé ........................................................................................................................................................................................ 96
Figure 9-7, Piston avec trou de pression au niveau du segment supérieur ........................................................................................................... 97
Figure 10-1, Arrangement des segments ............................................................................................................................................................ 101
Figure 11-1, Bielle d’origine avec structure de base très flexible ......................................................................................................................... 103
Figure 11-2, Bielle d’origine avec structure de base rigide .................................................................................................................................. 103
Figure 11-3, Bielle en H ...................................................................................................................................................................................... 105
Figure 12-1, Vilebrequin typique d’un moteur 4 cylindres en ligne ...................................................................................................................... 106
Figure 12-2, vilebrequin issu d’un coulage .......................................................................................................................................................... 106
Figure 12-3, vilebrequin issu d’une forge ............................................................................................................................................................ 106
Figure 12-4, vilebrequin avec galerie de type à travers ....................................................................................................................................... 108
Figure 12-5, vilebrequin avec galerie avec trou de travers .................................................................................................................................. 108
Figure 12-6, vilebrequin avec coupe des bordures ............................................................................................................................................. 108
Figure 13-1, Chemises humides ......................................................................................................................................................................... 111
Figure 13-2, Moteur Audi avec chemises Darton (photo, courtoisie de Darton Sleeves) ..................................................................................... 111
Figure 13-3, Support de vilebrequin dans le bloc moteur .................................................................................................................................... 112
Figure 13-4, Bloc moteur en deux sections ......................................................................................................................................................... 112
Figure 14-1, Coussinet de bielle ......................................................................................................................................................................... 115
Figure 14-2, RPM du coussinet de bielle ............................................................................................................................................................ 116
Figure 14-3, Coussinet normal et déformé .......................................................................................................................................................... 117
Figure 14-4, Mesure de l’épaisseur de coussinet avec un micromètre ................................................................................................................ 119
Figure 14-5, Résultats de mesure de coussinets conformes et non-conformes................................................................................................... 120
Figure 14-6, Plastigauge de 0.001 à 0.003 de pouce .......................................................................................................................................... 120
Figure 15-1, Vilebrequin 1 cylindre non balancé ................................................................................................................................................. 122
Figure 15-2, Vilebrequin 2 cylindres non balancé ............................................................................................................................................... 122
Figure 15-3, Masse d’une bielle .......................................................................................................................................................................... 122
Figure 16-1 “piggyback” Apexi AFC Neo ............................................................................................................................................................ 127
195
Figure 16-2, “Piggyback” Greddy e-manage ....................................................................................................................................................... 127
Figure 16-3, ECU EFI Race 1.2 .......................................................................................................................................................................... 128
Figure 16-4, Données techniques d’une boîte d’allumage MSD 6AL ................................................................................................................... 130
Figure 16-5, Distributeur d’allumage ................................................................................................................................................................... 131
Figure 16-6, Moteur Renault Gordini 1.6 l avec système d’allumage MSD programmable ................................................................................... 132
Figure 16-7, Disque de position du vilebrequin Toyota 2ZZ................................................................................................................................. 132
Figure 16-8, Cartographie d’allumage en 3 dimensions, MAP / RPM / avance ................................................................................................... 133
Figure 16-9, Couple du vilebrequin à pression constante .................................................................................................................................... 133
Figure 16-10, Courbe de pression dans le cylindre ............................................................................................................................................. 134
Figure 16-11, Couple du vilebrequin selon la courbe de pression dans le cylindre .............................................................................................. 134
Figure 16-12, Facteur influençant l’avance requise de l’allumage ....................................................................................................................... 135
Figure 17-1, Effet de la résistance du radiateur avec arrangement sans conduit ................................................................................................. 139
Figure 17-2, Type de radiateur ............................................................................................................................................................................ 140
Figure 17-3, Aménagement d’un radiateur de performance ................................................................................................................................ 140
Figure 17-4, Circuit de liquide refroidissement avec réservoir de décharge ......................................................................................................... 141
Figure 17-5, Circuit de liquide refroidissement avec réservoir d’expansion .......................................................................................................... 142
Figure 18-1, pompe à l’huile................................................................................................................................................................................ 143
Figure 18-2, Pompe à l’huile cassée ................................................................................................................................................................... 143
Figure 18-3, Pompe de type « remote » .............................................................................................................................................................. 143
Figure 18-4, Pompe pour carter à sec ................................................................................................................................................................. 144
Figure 18-5, Carter standard, où la voiture est à l’arrêt, puis soumise à un virage de 1.4 G. ............................................................................... 144
Figure 18-6, Carter à l’huile modifiée, où la voiture est à l’arrêt, puis soumise à un virage de 1.4 G. ................................................................... 144
Figure 18-7, Carter à l’huile Moroso pour moteur Toyota 2ZZ, avec trappe ......................................................................................................... 145
Figure 18-8, Carter à sec (moteur monté sur dynamomètre) ............................................................................................................................... 146
Figure 18-9, schéma de branchement d’un système d’accumulateur. ................................................................................................................. 147
Figure 18-10, Accumulateur ................................................................................................................................................................................ 147
Figure 18-11, Échangeur pour l’huile à moteur.................................................................................................................................................... 148
Figure 18-12, Kit de relocalisation du filtre à l’huile ............................................................................................................................................. 149
Figure 19-1, Courbe de Stribeck ......................................................................................................................................................................... 151
Figure 19-2, Unité de filtration maison................................................................................................................................................................. 153
Figure 19-3, Courbes de viscosité, abscisse en °C et ordonné en cSt, données approximatives ......................................................................... 158
Figure 19-4, Courbe de viscosité, abscisse en °C et ordonné en cSt, données approximatives .......................................................................... 159
Figure 19-5, Charte de viscosité des différents grades d’huile Motul 300V, par extrapolation, hypothèse parfaitement linéaire ........................... 160
Figure 20-1, Ensemble d’embrayage .................................................................................................................................................................. 169
Figure 20-2, Embrayage OS Gikken ................................................................................................................................................................... 169
Figure 22-1, Synchroniseur en acier recouvert (à gauche) et en bronze (à droite) .............................................................................................. 173
Figure 22-2, synchroniseur double ...................................................................................................................................................................... 173
Figure 22-3, Kit de reconditionnement d'une transmission de Porsche ............................................................................................................... 174
Figure 22-4, Boîte de transmission avec crabots et synchros, engrenages à dents droites ................................................................................. 175
Figure 22-5, Boîte de transmission avec crabots et synchros, engrenages à dents hélicoïdales ......................................................................... 176
Figure 22-6, Boite de transmission KAAZ avec engrenages partiellement hélicoïdaux ........................................................................................ 177
Figure 22-7, Jeu d’engrenage fait sur mesure pour remplacement dans une boîte d’origine ............................................................................... 179
Figure 22-8, Courbe de puissance simplifiée ...................................................................................................................................................... 180
Figure 22-9, Accélération d’un véhicule pour deux boites d’engrenages ............................................................................................................. 180
Figure 23-1, Système d'injection Coolingmist ...................................................................................................................................................... 182
Figure 27-1, GSX1100 1986 ayant vécue beaucoup de misères ......................................................................................................................... 187
Figure 27-2, Un générateur qui ne génère pas .................................................................................................................................................... 188
Figure 27-3, Moteur Renault ............................................................................................................................................................................... 188
Figure 27-4, Lotus Europa avec moteur H22A .................................................................................................................................................... 189
Figure 27-5, Ma voiture! ...................................................................................................................................................................................... 190
LISTE DES TABLES
Table 1-1, Liste de configurations de moteur (ND : information non disponible) .................................................................................................... 10
Table 2-1, Coefficient aérodynamique (données non vérifiées) ............................................................................................................................ 13
Table 5-1, Caractéristiques de différents carburants, valeurs approximatives, non vérifiées ................................................................................. 37
Table 6-1, Table Lambda versus AFR................................................................................................................................................................... 38
Table 6-2, Table des temps d’injection versus la pression et le régime du moteur ................................................................................................ 42
Table 6-3, Grille des temps d’injection .................................................................................................................................................................. 44
Table 6-4, Donnée technique d’un injecteur .......................................................................................................................................................... 45
Table 6-5, Facteur BSFC versus application ......................................................................................................................................................... 46
Table 7-1, Longueur des tubes primaires (P) ........................................................................................................................................................ 69
Table 8-1, Caractéristique d’un ressort de soupape .............................................................................................................................................. 77
Table 19-1, Tableau indiquant la base d’huile selon un pourcentage inconnu utilisé pour différents produits indiqués comme étant synthétiques,
basé sur les données des manufacturiers. Les huiles groupes 4 et 5 ne sont jamais pures. ............................................................................... 154
Table 19-2, Liste des avantages et désavantages de l’huile synthétique ............................................................................................................. 154
Table 19-3, Liste des groupes d’huiles automobiles ............................................................................................................................................ 155
Table 19-4, Liste de caractéristiques de différents produits, basés sur les données des manufacturiers ............................................................. 156
Table 19-5, Viscosité pour les huiles à moteurs W, SAE J-300 ........................................................................................................................... 157
Table 19-6, Viscosité pour les huiles à moteurs, SAE J-300 ............................................................................................................................... 158
Table 19-7, Norme API “S”.................................................................................................................................................................................. 162
Table 19-8, Norme JASO .................................................................................................................................................................................... 163
Table 19-9, Norme ILSAC ................................................................................................................................................................................... 163
Table 19-10, Viscosité pour les huiles à transmission, SAE J-306 ...................................................................................................................... 168
Table 19-11, Norme API pour les huiles à transmission ...................................................................................................................................... 168
196
INDEX
accélération, 25, 29
adhérence, 28
admission, 7, 8, 9, 15, 21, 24, 31,
34, 35, 36, 38, 39, 40, 41, 42, 45,
46, 47, 49, 51, 52, 53, 54, 55, 57,
58, 59, 63, 64, 68, 72, 74, 75, 76,
79, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90,
91, 92, 97, 113, 114, 127, 131,
136, 137, 182, 183, 184
aérodynamique, 12, 13, 17, 109,
139, 144, 185
allumage, 7, 8, 9, 30, 35, 54, 55, 56,
67, 68, 73, 84, 89, 96, 98, 103,
126, 127, 128, 129, 130, 131,
132, 133, 134, 135, 136, 137,
182, 183, 184
barre antiroulis, 27
bougie, 7, 8, 30, 90, 97, 126, 129,
130, 132, 133, 134, 135, 136
carburant, 7, 8, 9, 34, 37, 38, 40, 44,
47, 61, 62, 63, 114, 127, 131,
173, 182
carburateur, 38, 40, 48, 50, 51, 52,
53, 58, 61, 62, 67, 91, 127, 129,
136, 137, 191
carter, 23, 112, 143, 144, 145, 146,
147, 151
châssis, 27
chemise, 110, 111
Cisaillement, 27
coefficient de friction, 28, 29
combustion, 7, 8, 9, 15, 22, 30, 31,
32, 33, 34, 35, 36, 38, 55, 56, 72,
74, 75, 76, 90, 91, 96, 97, 98,
100, 101, 103, 113, 129, 133,
134, 135, 138, 185, 191
compresseur, 34, 46, 53, 54, 55, 63,
95, 96, 183, 185
compression, 7, 8, 9, 26, 27, 30, 31,
32, 34, 35, 36, 37, 53, 54, 55, 74,
77, 84, 86, 90, 96, 103, 133, 134,
182, 185
Contrainte, 26
couple, 15, 19, 20, 25, 39, 52, 57,
66, 68, 69, 72, 79, 84, 90, 91, 92,
124, 133, 134, 169, 170, 172,
177, 179, 181
courbe de puissance, 15, 20, 91,
136, 180
coussinet, 23, 104, 105, 107, 114,
115, 116, 117, 118, 119, 148
culasse, 15, 22, 31, 32, 33, 35, 36,
49, 50, 52, 57, 58, 59, 65, 70, 72,
74, 75, 77, 79, 83, 86, 88, 89, 90,
92, 97, 98, 110, 112, 113, 114,
115, 135, 185
culbuteur, 79, 86, 87, 89
différentiel, 15, 178, 181, 185, 189
dilatation, 27, 95, 96, 100, 102, 189
disque, 28
distributeur, 61, 129, 130, 131, 132
échappement, 5, 7, 8, 15, 22, 38, 39,
42, 44, 53, 64, 65, 66, 67, 68, 69,
70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 79, 83,
84, 86, 88, 89, 92, 97, 116, 130,
135, 137, 138, 184, 185, 189
ECU, 39, 40, 42, 44, 45, 49, 61, 72,
84, 85, 127, 128, 129, 130, 131,
133, 136, 137, 148
embrayage, 125, 169, 170, 171, 172,
173, 174, 176, 181
engrenage, 124, 143, 171, 172, 173,
174, 175, 176, 179, 185, 189
équilibrage, 10, 57, 59, 68, 107, 113,
122, 123, 124, 125, 171
essence, 7, 9, 24, 30, 34, 35, 37, 38,
39, 40, 41, 42, 43, 45, 46, 47, 48,
50, 51, 52, 56, 59, 60, 61, 62, 63,
84, 90, 91, 114, 127, 128, 129,
130, 133, 134, 135, 136, 137,
138, 182, 187
eutectique, 95, 96
filtre, 47, 48, 49, 59, 60, 112, 114,
143, 148, 149
Flexion, 26, 27
huile, 22, 23, 24, 28, 51, 85, 98, 99,
100, 101, 107, 112, 113, 114,
115, 116, 117, 118, 119, 124,
125, 138, 143, 144, 145, 146,
147, 148, 149, 150, 151, 152,
169, 172, 181, 188
hydraulique, 84, 85, 87, 89, 112,
125, 131, 143, 144, 147, 169,
171, 172
hyper eutectique Voir Eutectique
injecteur, 39, 40, 41, 42, 45, 46, 47,
62, 63
Lambda, 38, 39, 127
masse, 25, 27, 29
MASSE, 25
Nikasil, 110, 111
ordinateur, 39, 41, 49, 127, 128,
129, 130, 131, 132, 172
papillon, 9, 40, 49, 51, 54, 72, 87,
113, 114, 136, 137
phasage, 82, 83, 84, 85, 86, 89, 105,
128, 136, 137
piggyback, 127, 128
piston, 7, 8, 9, 15, 22, 30, 31, 32, 33,
35, 42, 76, 79, 84, 85, 87, 88, 89,
90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98,
99, 100, 101, 102, 103, 105, 108,
110, 113, 115, 116, 122, 123,
124, 133, 134, 135, 144, 146
pneu, 28, 29
197
pompe, 34, 37, 39, 47, 48, 49, 50,
51, 52, 60, 61, 62, 63, 112, 115,
125, 138, 139, 140, 141, 143,
144, 145, 146, 147, 172, 183
pression, 5, 7, 12, 15, 21, 22, 26, 28,
31, 34, 38, 39, 41, 42, 43, 45, 46,
47, 48, 52, 53, 54, 55, 61, 62, 63,
72, 73, 76, 87, 95, 97, 100, 101,
105, 112, 119, 127, 133, 134,
136, 137, 138, 139, 140, 142,
143, 144, 145, 146, 147, 148,
169, 170, 172, 182, 183
radiateur, 24, 48, 62, 138, 139, 140,
141, 142, 148, 181
rapport, 5, 9, 14, 15, 17, 22, 23, 24,
25, 30, 31, 32, 34, 35, 36, 37, 42,
51, 53, 54, 55, 60, 68, 72, 74, 79,
83, 86, 90, 94, 95, 96, 104, 115,
130, 133, 134, 137, 138, 145,
171, 172, 173, 174, 175, 176,
177, 178, 179, 180, 181, 182,
185, 188
régulateur, 46, 47, 48, 49, 52, 61,
62, 63, 144
rendement, 20, 30, 138
RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX,
26
ressort, 5, 51, 76, 77, 78, 79, 87, 88,
89, 100, 101, 139, 144, 169, 170,
185
segment, 97, 100, 101, 102, 123
sonde, 39, 41, 49, 63, 70, 72, 73, 85,
127, 129, 131, 132, 133, 135,
137, 148
soupape, 7, 8, 31, 34, 39, 40, 42, 58,
68, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 82, 83,
85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 95,
97, 144
stand alone, 128
synchro, 173
thermostat, 138, 141, 148, 149
transmission, 5, 7, 12, 14, 15, 17,
23, 24, 26, 57, 70, 130, 131, 146,
148, 169, 171, 172, 173, 174,
175, 176, 177, 178, 179, 181,
185, 189, 190
turbo, 17, 21, 24, 34, 46, 53, 54, 96,
102, 179
vilebrequin, 7, 15, 23, 39, 40, 46, 54,
55, 83, 85, 89, 94, 98, 103, 104,
106, 107, 108, 109, 112, 113,
114, 115, 116, 117, 118, 119,
122, 123, 124, 125, 128, 129,
130, 131, 132, 133, 134, 138,
143, 146, 147, 169, 171, 178
volant, 7, 17, 25, 26, 107, 109, 125,
132, 146, 170, 171, 184
198
1.00
ACCÉLÉRATION (G)
0.80
RAPPORT 1
0.60
RAPPORT 2
RAPPORT 3
RAPPORT 4
RAPPORT 5
0.40
0.20
0.00
30
55
80
105
130
155
180
205
RESSORT D'ORIGINE, 8500 RPM
13
12
11
LEVÉE (mm)
10
CAME
9
SOUPAPE
8
RESSORT
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
0.0030
TEMPS (s)
L’auteur est un passionné de sport motorisé, ayant passé beaucoup de temps sur circuit tant en moto qu’en automobile. Son
expérience est à la fois appuyée par la théorie, en tant qu’ingénieur mécanique, et appuyé par une longue expérience
pratique dans la conception de moteurs modifiés. Ce guide de préparation des moteurs 4 temps vous propose d’en
apprendre plus sur la préparation des moteurs, avec une approche vulgarisée, pragmatique et à la fois théorique. Un outil
pour vous aider à faire les choix propices pour votre utilisation parmi ce qui vous est offert en matière d’accessoires de
performances d’aujourd’hui.
Le manuel inclut un nombre important d’images de qualités et de diagrammes afin de faciliter la compréhension.
Chapitres :
1. Introduction aux moteurs à combustion
2. Comment améliorer les performances
3. Introduction à la préparation de moteur
4. Quelques autres notions de base
5. Rapport de compression
6. Admission
7. Système d’échappement
8. Culasse
9. Piston
10. Segment
11. Bielle
12. Vilebrequin
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
Bloc
Coussinet
Équilibrage
Électrique
Système de refroidissement
Système de lubrification
Huile moteur et huile pour
transmission
Embrayage
Volant
Transmission
Injection d’eau/méthanol

performance à 4 temps

Transcription

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