ARCHITECTURES ET SONS DE MOTEURS

Pour le fonctionnement de base des moteurs à combustion interne suivant le cycle utilisé (4 temps suivant Beau de Rochas ou Otto, 2 temps, Wankel), voir les nombreux sites internet (par ex Wikipedia) reprenant les schémas de fonctionnement correspondants.

Le son dominant d'un moteur à allumage commandé est produit par les pulsations périodiques du flux gazeux à l'admission et à l'échappement, dont les fréquences dépendent :

   - des intervalles d’allumage (séquence d’allumage ou 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 cycle moteur complet, les explosions étant différentes pour chaque chambre de combustion, surtout si alimentation commune avec des intervalles d'allumage inégaux (par ex ancien V twin à 45° Harley Davidson avec un seul carburateur)

   - des différents regroupements (ou non) et/ou différences de forme et longueur des tubulures d'échappement sur les 4 temps multicylindres (asymétrie du système d'échappement)

   - du régime moteur, mesuré en tr/min, avec des valeurs maxi potentiellement plus élevées avec une faible cylindrée unitaire, et pour les moteurs à piston alternatif une course inférieure à l'alésage (cotes supercarrées) pour ne pas dépasser une vitesse linéaire critique du piston de 20 à 25 m/s

   - des variations rapides du régime moteur par acyclisme (sensible à bas régime si 4 temps avec intervalles d'allumage important ou inégaux et pouvant être réduit avec un lourd volant moteur, des intervalles d'allumage equidistants ou proches, ou une augmentation du nombre de cylindres), par irrégularités de fonctionnement (sur 2 temps à faible charge), ou par pertes d'adhérence sur premiers rapports de boîte ou sur terrain peu adhérent (plus sensible sur 2 temps avec meilleur rapport poids/puissance, fréquences d'allumage supérieures par cylindre, inertie moindre)

    - de l'atténuation de certaines fréquences ou résonances par les silencieux d'admission, d'echappement, amortisseurs d'harmoniques, montage sur silent-blocs, etc...

Les intervalles d’allumage dépendent :

    - 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, ....)

    - de l'ordre d'allumage sur un 4 temps multicylindres, un point mort haut sur deux étant moteur pour chaque cylindre

    - du calage de vilebrequin (décalage angulaire des manetons de bielles, correspondant pour les 4 temps à 360° lorsque l'allumage est décalé d'un tour avec des manetons alignéss ur le même banc de cylindres)

Lorsque tous les intervalles d'allumage sont égaux (allumages équidistants), on parle d'allumage pair (Even Fire en anglais)

Lorsqu'il y a une alternance de deux ou plusieurs intervalles d'allumage inégaux, on parle d'allumage impair (Odd Fire en anglais).

Ci après 2 méthodes pour déterminer les intervalles d’allumage 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

La rotation du moteur produit une suite harmonique de fréquences sonores pures (sinusoïdales) dont la hauteur augmente proportionnellement au régime moteur, et dont l'intensité globale augmente avec le régime moteur et la charge :

- fréquence de rotation du vilebrequin (tr/min /60) avec forces d'inertie et bruits mécaniques associés rayonnés par la structure du moteur

- fréquence(s) correspondant aux intervalles d'allumage (égale à celle du vilebrequin sur les

  monocylindres 2 temps et bicylindres 4 temps à 360°) 

- fréquence du cycle moteur sur les multicylindres 4 temps et 2 temps et sur tous les Wankel, le son étant différent pour chaque chambre de combustion et d'un cycle à l'autre (fréquence égale à celle du vilebrequin sur les 2 temps et Wankel, à la moitié sur les 4 temps avec une explosion tous les 2 tours de vilebrequin)

- harmoniques (d'ordre 2, 3, 4, ...(avec une intensité décroissante au delà des premiers ordres) qui sont des multiples entiers de la fondamentale ou harmonique d'ordre 1 qui est le plus grand diviseur commun de l'ensemble des harmoniques avec la fréquence la plus basse donc celle du cycle moteur.

Dans la plupart des analyses acoustiques portant sur des moteurs 4 temps multicylindres (en particulier à 4 cylindres ou avec un nombre pair de cylindres), la fréquence fondamentale prise comme référence n'est pas celle du cycle 4 temps à l'origine des pulsations d'admission et d'échappement d'un cylindre mais celle deux fois plus élevée du vilebrequin correspondant au régime moteur (tr/min ramenés à la seconde) à l'origine des vibrations et du bruit rayonné par la structure du moteur. Dans ce cas on considère la fréquence du cycle comme un sous harmonique d'ordre 0,5 et on aura certains harmoniques non entiers appelés partiels (1.5, 2.5, 3.5,...).

Sur les instruments de musique, on a aussi des harmoniques ou partiels de différentes amplitudes mais avec une fondamentale qui correspond toujours à la fréquence la plus basse qui a généralement la plus forte amplitude et détermine la hauteur de note.

Sur les moteurs, le timbre dépend de la proximité de chaque source sonore et évolue avec une augmentation de l'amplitude de certaines harmoniques de rang élevé avec le régime et la charge et en fonction des bruits aérodynamiques et résonances.

Avec des allumages équidistants, la fréquence de plus forte intensité et correspondant à la hauteur perçue du son est généralement égale à celle des explosions successives : 

(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). 

Des allumages équidistants sur l'ensemble du moteur et pour les cylindres regroupés sur un même collecteur primaire avec des tubulures de longueurs égales permet d'obtenir un son harmonique avec plus de consonances (du point de vue musical) entre les harmoniques prédominants, alors que les intervalles d'allumage inégaux ou les harmoniques d'intensité presqu'égales d'un monocylindre produisent plus de dissonances.

Pour une même architecture moteur multicylindres, les fréquences prédominantes d'échappement peuvent être différentes en fonction de la différence de forme ou de longueur des tubulures d'échappement de chaque cylindre.

Chaque cycle de fonctionnement a en plus 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, fréquences d'explosion x 2 par rapport aux 4 temps et vibrations plus importantes à cylindrée unitaire et régime équivalent (surtout avec cylindre et culasse à refroidissement à air), irrégularités de fonctionnement à faible charge avec ratés d'allumage si alimentation par carburateur, pas de frein moteur et donc retour au ralenti assez long après une montée en régime, impulsivité importante due à l'ouverture et la fermeture très rapide des lumières ou des systèmes d'admission à clapets (reed valves), présence d'une pulsation d'échappement secondaire créée par la réflexion des ondes acoustiques par chambre d'expansion et qui se produit à la fin de la phase d'échappement avec une pression plus importante si pot de détente, ce qui donne du bruit rose de forte intensité (toutes fréquences avec intensités décroissantes suivant la hauteur) et une amplitude assez importante des harmoniques de rang élevé (surtout sans silencieux), avec un spectre fréquentiel à large bande qui caractérise la sonorité particulière du 2 temps qui peut être à la fois dissonante mais aussi très grisante à pleine charge dans la plage d'accord de l'échappement :

      https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_chamber

      https://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/15591

    - sur les moteurs Wankel, fréquences d'explosion x 2 par rapport aux 4 temps avec 3 combustions distinctes se succédant sur une même rotor tournant 3 fois moins vite que le vilebrequin, absence de vibrations dues aux forces alternatives, absence de soupapes comme sur les 2 temps mais donnant moins d'impulsivité que sur les 2 temps avec une phase motrice plus longue que sur les moteurs alternatifs.

L'amplitude de chaque fréquence du son global émis par le véhicule varie en fonction de la proximité des sources sonores et du filtrage par le véhicule ou le système d'échappement (par exemple sur automobile avec capot fermé et bonne isolation phonique, bruits mécaniques très atténués : distribution, injection, vibrations dues à la rotation du vilebrequin, claquements de piston, etc...).

Le son dépend de la masse et de la rigidité du bloc moteur qui rayonne du bruit par voie aérienne et transmet des vibrations à la structure du véhicule par voie solidienne, avec une atténuation possible par augmentation de masse, équilibrage, isolation ou amortissement des vibrations par isolateur élastomère, hydraulique, à filet métallique, ...

Les bruits dominants du moteur sont :

- à faible charge ceux de combustion

- à forte charge les bruits d'échappement et d'admission, et les bruits mécaniques si forte atténuation des  bruits d'admission et d'échappement par des silencieux

Sur les moteurs 4 temps à allumage commandé, le son d'admission avec une fréquence proche de celle liée aux explosions successives peut être prédominant à pleine charge par rapport au son d'échappement avec silencieux.

Des résonateurs de Helmholtz (cavités fermées et reliées aux conduits d'admission ou d'échappement) peuvent (en fonction de leur résonance propre) modifier ou atténuer certaines fréquences sonores gênantes ou optimiser l'accord acoustique et le remplissage du moteur à certains régimes.

Le refroidissement par eau supprime les vibrations dues aux ailettes de refroidissement, les bruits de ventilation forcée des moteurs équipés, et atténue les bruits mécaniques et ceux de combustion.

Les bruits mécaniques et ceux de combustion et d'échappement dépendent de nombreux paramètres (non exhaustifs) :

- remplissage du moteur en fonction de la durée d'admission et d'échappement par cycle suivant diagramme de distribution, avec ouverture simultanée de l'admission et de l'échappement dans la phase de croisement avec accord acoustique d'admission/échappement, diamètre des soupapes ou lumières, levée des soupapes, distribution variable, désactivation de certains cylindres en charge réduite 

- taux de compression dans le cylindre en fonction du rapport volumétrique et de la forme de la culasse, ce qui détermine le mode d'allumage (commandé ou par compression)

- vitesse de propagation du front de flamme en fonction de la cylindrée unitaire, du nombre et de la position des bougies d'allumage, du régime et de la charge.

- impulsivité du bruit suivant type de carburant (éthanol, essence, gasoil, ou autres), taux d'avance à l'allumage, réglage de carburation suivant rapport stœchiométrique (proportion optimale d'air par rapport au carburant, de 14,7 pour un mélange air/essence, soit 6,8 % d'essence), type de carburation ou d'injection, avec augmentation de l'amplitude sonore par claquements avec allumage gasoil par compression sur moteurs Diesel et/ou injection directe, allumage retardé, combustion à mélange pauvre et température des gaz plus élevée, ouverture d'échappement plus brutale sans soupape ou avec bielle plus courte

- température du moteur et des gaz influant sur les jeux mécaniques, la combustion, la vitesse d'écoulement des gaz et les accords acoustiques

- échappement avec turbocompresseur dont la turbine produit des bruits à hautes fréquences selon le passage des pales et le dégagement de l'extrémité des pales tout en atténuant les basses fréquences dues aux pulsations d'échappement

Malgré toutes les différences de conception pour un même cycle de fonctionnement (moteur atmosphérique ou suralimentation par turbo ou compresseur volumétrique, refroidissement par air, par turbine ou par eau, clapets ou distributeurs rotatifs sur les 2 temps, système de distribution sur les 4 temps, transmission primaire, embrayage à sec, etc...), la sonorité entre 2 moteurs à allumage commandé au même régime reste proche et reconnaissable si les paramètres ci-après sont identiques :

- cycle de fonctionnement (4 temps, 2 Temps, Wankel) déterminant la fréquence d'une seule chambre de combustion correspondant à l'intervalle entre chaque harmonique successif

- intervalles d'allumage du moteur et géométrie d'échappement déterminant les harmoniques prédominants (multiples de la fréquence du cycle x N cylindres si allumages équidistants et tubulures primaires d'échappement de même longueur)