ARCHITECTURES ET SONS DE MOTEURS

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Ce blog présente les différentes architectures de moteurs à essence utilisées sur les autos et motos,  le caractère associé (régularité cyclique, vibrations, etc...) et la sonorité en fonction du cycle d'explosion. 

 

Les liens vers les articles (en haut à droite) permettent de consulter, pour les moteurs ayant un cycle d'explosion identique :

    - la reconstitution sonore des pulsations moteur à 900 tr/min (suivant logiciel Audacity) 

    - la ou les différentes architectures correspondantes, avec gif animé

    - des exemples de motos et autos équipées de ces moteurs, dont la sonorité reste proche malgré les

      différences de conception (système d'échappement, cylindrée unitaire, conduits d'admission et boîte à air,

      injection ou carburateurs, diagramme de distribution et régime de couple et de puissance,

      clapets ou distributeurs rotatifs sur les 2 temps,  système de distribution sur les 4 temps, 

      transmission primaire, embrayage à sec ou en bain d'huile, etc...)

   -  plus de 450 extraits de son réel de motos et autos, généralement avec échappement d'origine pour les modèles récents

 

Bonne découverte !


CYCLE D'EXPLOSION  ET SON DU MOTEUR

 

Le son d'échappement est fonction :

    - du cycle d'explosion (degrés de rotation du vilebrequin entre les explosions successives

      des différents cylindres ou rotors pour un cycle de fonctionnement complet du moteur de

      2 tours pour les 4 temps et de 1 tour pour les 2 temps et Wankel)

    - du régime moteur, mesuré en tr/min

    - du type d'échappement adapté au cycle de fonctionnement du moteur (4 temps, 2 temps, Wankel) 

    - du couplage de l'échappement sur les 4 temps à plusieurs bancs de cylindres,

      si chaque banc a un cycle d'explosion irrégulier (V8 à vilebrequin en croix, 4 cylindres à plat, etc...)

 

Le cycle d'explosion (ou séquence d'allumage) dépend : 

    - du cycle de fonctionnement (4 temps, 2 temps, Wankel)

    - du nombre de cylindres (ou de rotors pour le Wankel)

    - de l'angle entre les cylindres (moteur en ligne, à plat, en V, W, ....)

    - du calage du vilebrequin (décalage angulaire des manetons de bielles)

 

Ci après 2 méthodes pour déterminer le cycle ou rytme des explosions en fonction de l'architecture moteur :

 

    - feuille de calcul Excel applicable aux moteurs 2 temps ou 4 Temps de 1 à 8 cylindres,

      quelque soit l'architecture mécanique

       CALCUL-CALAGE-MOTEUR.xls

 

    - méthode graphique manuelle

       DETERMINATION-CALAGE-MOTEUR.jpg

   

Chaque cycle de fonctionnement a des caractéristiques particulières :

    - sur les 4 temps (1 explosion par cylindre que tous les 2 tours), régularité cyclique limitée

      pour les monocylindres et dans une moindre mesure pour les 2 à 4 cylindres à cycle

      d'explosion irrégulier, nécessitant un gros volant moteur avec une inertie de fonctionnement

      importante pour éviter les cognements à très bas régime, frein moteur important à la coupure de gaz, 

      avec retour rapide au régime de ralenti si moteur tournant à vide

    - sur les 2 temps, irrégularités de fonctionnement à faible charge,

      en particulier si alimentation par carburateur

    - sur les moteurs Wankel, absence de vibrations dues aux forces alternatives

 

Le son émis par le moteur comprend une fréquence fondamentale correspondant au cycle d'explosion, et d'autres fréquences plus élevées nommées harmoniques qui caractérisent le "timbre" de ce moteur.

Pour un moteur à intervalles d'allumage identiques, la fréquence fondamentale correspond à

(nbre de cylindres / nbre de tour pour une explosion dans chaque cylindre) x (régime moteur en tr/min / 60)

ex : 4 cylindres en ligne 4 temps à 3300 tr/min = (4 / 2) x (3300 / 60) --> 110 Hz soit pour les mélomanes la fréquence de la note de musique LA (1ère octave sur un clavier). Chaque doublement du régime moteur, et donc de la fréquence, correspond au passage à l'octave supérieure (pour un régime de 3300 x 4, soit 13200 tr/min, on obtient 440 Hz, soit le LA du diapason (3ème octave). 

On dit que le son est riche lorsqu’il contient de nombreuses harmoniques. Dans le cas contraire, il paraîtra terne à notre oreille. Le son sera d'autant plus agréable voire musical si les harmoniques sont des multiples proches de la fréquence fondamentale, ou des quintes (rapport de 3/2). Les moteurs à cycle d'explosion régulier dont le nombre de cylindres sont des multiples ont une sonorité proche car on retrouve des harmoniques identiques (par ex 3 et 6 cylindres en ligne, 5 cylindres en ligne et V10, etc...). 

 

Avec la disparition progressive des voitures de sport à moteurs atmosphériques avec une belle allonge et une sonorité rageuse, on constate une mode actuelle pour les bruits de crépitement ou de pétarades à l'échappement à la coupure des gaz (crackle map ou pop and bang en anglais) dont l'origine est lié à la nécessité de limiter le temps de réponse du turbo sur les voitures de rallye (système anti-lag appelé également bang bang). Le principe est de retarder l'allumage à faible charge tout en maintenant l'alimentation du moteur, ce qui engendre des détonations dans l'échappement que je trouve plus agressives que réellement agréables à l'oreille et qui peuvent parfois être destructrices pour les soupapes et le système d'échappement lorsque les effets ne sont pas limités à ceux parfois associés aux modes sport ou racing de la cartographie moteur d'origine.


NOTION D' EQUILIBRAGE DES MOTEURS A PISTONS

 

Les vibrations du moteur à pistons sont dues aux mouvements du vilebrequin et de chaque ensemble piston + bielle, créant en fonction de l'architecture du moteur des forces d'inertie rotatives et alternatives, et/ou des moments d'inertie (couples de forces).

 

Les forces d'inertie rotatives (ou centrifuges) appliquées sur les manetons du vilebrequin sont constantes et peuvent être éliminées à l'aide de contrepoids.

 

Lorsque le mouvement alternatif du piston et de la bielle n'est pas compensé par le mouvement opposé d'un autre piston et bielle, le moteur est soumis à des forces d'inertie alternatives variables (mouvement de pilon et/ou de tamis), comme par exemple sur un monocylindre ou bicylindre parallèle à 360°. Ces forces d'inertie dépendent à la fois de de la masse des pièces en mouvement alternatif (pistons + bielles), du carré de la vitesse angulaire, de l'obliquité maximale et du décalage angulaire des manivelles. On distingue les forces de 1er et de 2ème ordre, ces dernières étant des harmoniques d'ordre 2 de fréquence double mais d'une intensité beaucoup plus faible. Sur les 2 et 4 cylindres en ligne avec calage des manetons à 180°, les forces de 2ème ordre sont dues au fait que les pistons dont le sens de déplacement est opposé n'ont pas les mêmes valeurs instantanées de vitesse et d'accélération sauf à mi-course et aux points morts haut et bas (voir article sur les 4 cylindres en ligne à vilebrequin plat).

 

Sur les multicylindres dont les pistons extrêmes ne sont pas ensemble au point mort haut (équipage mobile non symétrique par rapport au plan médian du vilebrequin), le moteur est soumis à un moment d'inertie tendant à le faire osciller sur lui-même (mouvement de basculement, de galop, ou de lacet). Ces moments d'inertie concernent la plupart des moteurs en V ou à plat, et ceux en ligne avec un nombre impair de cylindres (3 et 5 cylindres) ou un rythme d'explosion irrégulier (bicylindre non calé à 360°, 4 cylindres crossplane).

Les forces et moments d'inertie peuvent être neutralisés par les contrepoids de vilebrequin ou par un système d'équlibrage annexe généralement par arbre(s) rotatif(s), et par un montage du moteur sur silent-blocs.

 

Les architectures ci-après sont équilibrées naturellement pour les forces d'inertie alternatives de 1er ordre :

    - 2 cylindres en ligne ou à plat ou V4, avec vilebrequin à 2 manetons calés à 180°

    - 4 cylindres en ligne ou à plat avec vilebrequin plat

    - 4 cylindres en ligne avec vilebrequin en quadrature (crossplane)

    - 3 cylindres en ligne avec vilebrequin à 120°

    - 5 cylindres en ligne avec vilebrequin à 72°

    - 6 cylindres et plus, en ligne, en V, ou à plat                       

   

Les moteurs en V à nombre pair de cylindres sont équilibrées avec des contrepoids pour les forces d'inertie

alternatives de 1er ordre si l'angle entre les manetons de bielles de chaque banc est égal 

à 180 - 2 fois l'angle d'ouverture des 2 bancs :

    - moteurs en V à 90° avec 2 bielles sur le même maneton

      (V2 Ducati, Moto Guzzi, Suzuki; V4 Honda VFR sauf 1200, V4 Ducati, etc...)

    - moteurs en V à manetons décalés (V2 Honda à 52° avec manetons à 76°, 

      1200 Honda V4 à 76° avec manetons à 28°, etc...)

 

Les architectures ci-après sont équilibrées naturellement pour les moments d'inertie :

   - monocylindres

   - V2 avec bielle à fourche type Harley Davidson

   - 2 cylindres en ligne avec vilebrequin calé à 360°

   - 3 cylindres en ligne avec vilebrequin calé à 180°

   - 4 cylindres en ligne avec vilebrequin plat

   - V4 à vilebrequin symétrique type Honda 1200 VFR

   - 6 et 8 cylindres en ligne

 

Les architectures définies ci-après ont à la fois un cycle d'explosion régulier et un bon équilibrage naturel :

    

   - Les 6 et 8 cylindres en ligne ainsi que les V12 et V16 qui en sont dérivés sont  équilibrés 

     pour les forces alternatives et les moments d'inertie mais la torsion du vilebrequin peut engendrer

     certaines vibrations, ce qui impose un ordre d'allumage n'entraînant pas d'explosions successives

     sur des cylindres côte à côte (ordre d'allumage 1-5-3-6-2-4 pour un 6 cylindres en ligne).

 

   - Les moteurs à plat de type boxer à manetons opposés sont équilibrés pour les forces alternatives

     de 1er et de 2ème ordre et les moments diminuent en fonction du nombre de cylindres, l'ordre 1 n'étant

     présent que sur les bicylindres (ex moto BMW R 1200 de 2013 équipée d'un arbre d'équilibrage).

 

   - Les V8 à 90° avec vilebrequin en quadrature (crossplane)  sont équilibrés pour les forces alternatives

     de 1er et de 2ème ordre, et les moments sont éliminés avec des contrepoids assez lourds.

 

    - Les V8 à 90° et 4 cylindres en ligne avec vilebrequin plat sont équilibrés pour les forces alternatives

      de 1er ordre et pour les moments d'inertie, les forces de 2ème ordre peuvent toutefois nécessiter 

      2 arbres d'équilibrage sur les plus gros 4 cylindres (au delà de 1000 cm3 en moto et 2 l en automobile)

      pour éviter les mouvements de pilon de 2ème ordre.


DIVERSIFICATION DES ARCHITECTURES MOTEURS

 

La plupart des architectures moteurs multicylindres ont été expérimentées dès la première partie du 20ème siècle, en privilégiant pour les automobiles un cycle d'explosion régulier et un bon équilibrage naturel, avec un nombre pair de cylindres, dont 4 minimum par rangée si en ligne ou en V (avec un angle d'ouverture de 90° pour un V8 et 60° pour un V12), le 6 cylindres en ligne 4 temps étant un des meilleurs compromis avec une très bonne régularité cyclique et un équilibrage parfait, tout en restant simple avec une culasse unique.

La recherche d'une plus grande compacité (notamment si montage tranversal en traction avant), ainsi que l'amélioration des performances ou la règlementation en compétition, ont fait naître d'autres configurations moteur avec :

- un nombre impair de cylindres en ligne qui ne permet pas un équilibrage optimal (3 et 5 en ligne, V6 et V10) 

- sur les moteurs 4 temps avec un nombre pair de cylindres en ligne, un calage de vilebrequin

  ou un angle du V ne permettant pas un cycle d'explosion 4 temps régulier ou un bon équilibrage naturel

  (ex : 4 cylindres en ligne crossplane en moto, tous les V4, V8 à vilebrequin plat, V8 à 60°, 72°, ou 75°,

   V12 à 65°,...) 

- les moteurs en V à angle réduit et culasse unique (V4 Lancia Fulvia, VR5 et VR6 VW)

  et déclinaisons en W8, W12, W16

 

Pour un fonctionnement suffisamment silencieux, sans vibrations ressenties, et avec une bonne régularité cyclique à bas régimes, la configuration à 3 ou 4 cylindres en ligne 4 temps avec une cylindrée unitaire optimale comprise entre 300 et 500 cm3 et avec si nécessaire un système d'équilibrage (sur la plupart des 3 cylindres, et sur les 4 cylindres de cylindrée supérieure à 2 l, en plus du montage souple sur silent-blocs) tend à couvrir l'essentiel des besoins en automobile hors véhicules de prestige (un 4 cylindres de 2L peut dépasser les 400 CV ), grâce (ou plutôt à cause !) de l'augmentation de puissance et surtout de couple que permet la suralimentation et l'hybridation électrique, au détriment de la sonorité qu'offraient les moteurs atmosphériques avec un nombre de cylindres et un régime de puissance plus élevés autorisant des montées en régime et une allonge plus importantes, avec plus de sensations mécaniques  liées également à un système d'admission et d'échappement plus direct.

  

Les motos, dont la cylindrée est réduite et la priorité n'est pas le confort acoustique ou la douceur de fonctionnement à bas régime, peuvent se satisfaire d'un monocylindre, bicylindre, ou V4, avec une régularité cyclique limitée mais offrant plus de compacité et donc de possibilités d'agencement au niveau de la partie cycle, avec un système d'équilibrage pour limiter les vibrations du moteur généralement monté de façon rigide dans le cadre, sauf si le régime maxi est faible (customs), si la cylindrée unitaire est faible, ou si le moteur est équilibré naturellement pour les forces d'inertie de 1er ordre (voir chapitre précédent).

L'esthétique du moteur associée à l'image de marque est également un paramètre de choix, de même que  le caractère et le son du moteur qui peuvent être différents  en fonction du calage du vilebrequin pour une architecture extérieurement identique (par ex bicylindres parallèles 4 temps calés à 360°, 180°, 270°, 285°, 315°, etc...). 

Les configurations moteur sont donc très variées en moto malgré le nombre limité de cylindres.

Sur les moteurs monocylindres et  ceux dont la régularité cyclique est théoriquement limitée, on peut obtenir malgré tout une bonne souplesse de fonctionnement à bas régime avec une architecture de type longue course,  un volant moteur plus lourd, et un diagramme de fonctionnement adapté, mais celà au détriment de la nervosité, des montées en régime, et des performances (moteurs à forte inertie, de conception généralement antérieure aux années 70 ou ceux des customs bicylindres).

 

On dénombre plus d'une centaine d'architectures moteurs distinctes présentées dans ce blog, avec pour les seuls moteurs 4 temps, une cinquantaine de cycles d'explosions différents, donc de sonorités différentes.