MOTEUR: CYLINDREE, TAUX DE COMPRESSION, MODIFICATIONS, LIMITES, CONSEQUENCES .
Qu'est-ce que la cylindrée et le taux de compression, comment les modifier ( pistons/ réalésage / Stroker kit / avec turbo ou compresseur ), les limites physiques, les conséquences sur le fonctionnement du moteur et le vocabulaire sur moteurs américains en anglais.
A- LA CYLINDREE : DIFFERENTES CONFIGURATIONS / CONSEQUENCES SUR LE COUPLE ET LES REGIMES MOTEURS / LES LIMITES : MECANIQUE , ENCOMBREMENT , COMPORTEMENT ROUTIER , .....

1-DEFINITION ET VOCABULAIRE USA .

A la base la cylindrée c'est le volume de cylindre, c'est à dire le volume déplacé par le piston dans un cylindre fois le nombre de cylindre. Le volume déplacé dépend de l'alésage ( Bore) et de la course ( Stroke). La course est la distance entre le point le plus haut dit PMH soit Point Mort Haut ( TDC: Top Dead Center) et le point le plus bas dit PMB soit Point Mort Bas ( BDC: Bottom Dead Center).

On part de l'alésage (diamétre en cm ou en pouces) , on calcul sa surface ( 3.14 x diamétre 2 / 4 ) en cm2 ou pouces 2 et on multiplie par la course pour obtenir la cylindrée en centimétres cube (cm3 ) ou en pouces cube ( dit cube inchs ou Ci ).

Un pouce = 2.54 cm donc un Ci est égal à 2.54x2.54x2.54 soit 16.387 cm3.

En fait il y a 2 point mort haut et 2 point mort bas: comme expliqué dans Moteur généralités ce sont des moteurs à 4 temps. Il y a un aller-retour d'amission (aspiration-compression) PMH-A PMB-A et un aller-retour d'échappement ( explosion-échappement) PMH-E PMB-E.

2-CONFIGURATIONS ET CONSEQUENCES SUR LE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR COUPLE (torque) et REGIME MOTEUR (rpm).

Pour une cylindrée identique on peut avoir plusieurs configurations. Le cylindre peut être plus ou moins large (Alésage) et plus ou moins haut (Course). Quand l'alésage est identique à la course ( largeur = hauteur) on parle de moteur carré (square). Pour la course on parlera de course longue (long stroke) ou courte (short stroke). Cela influence le comportement du moteur sur les critéres de couple et de capacités à monter en régime dans les tours.

Plus de couple sur course longue: vous avez déjà mis un tube de rallonge au bout d'une clé pour avoir plus de force ? en gros ici c'est pareil. Plus fort, de plus loin.

- Plus fort : sur un tour moteur le piston du longue course doit aller plus vite car il doit parcourir plus de distance qu'un course courte par unité de temps. Pour un piston de même poids il aura plus d'énergie cinétique ( Energie cinétique = 1/2 x masse x vitesse2 ).

- De plus loin : si la course est plus longue vu du piston et du vilebrequin, le rayon de rotation du pied de bielle sera plus grand ( bras de levier / Moment de force = masse x rayon2).

Donc plus d'énergie sur un levier plus long donne plus de couple, plus fort de plus loin

Le couple : permet d'arracher le poids de la voiture au démarrage et lutter contre les pentes. Le régime : les montées plus rapide en hauts régimes permettent d'être plus réactif ( la boite et les roues montent plus vite en vitesse) et plus rapidement puissant car plus d'explosions par unité de temps. On recherche souvent un compromis entre les deux.

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2-LES LIMITES LIEES A LA CYLINDREE : COUPLE , REGIME MOTEUR, ARCHITECTURE MOTEUR ET VEHICULE .

Il y a toujours des limites.

En commençant par le couple. Le couple crée des contraintes sur le vilebrequin (torsion, flexion), sur les embrayages de boites mécaniques et les convertisseurs de boites automatiques ( embrayage renforcé ou multi-disques / convertisseurs et boites auto renforcés ), sur les ponts de transmissions, sur les fixations moteurs (opposé aux sens de rotation), ....

Ensuite par les régimes moteurs: floating, vibrations, refroidissement, graissage. Le floating : pour qu'un moteur tourne vite il faut que la distribution suive pour remplir les cylindres. Il y a des limites liées au temps, plus un moteur tourne vite moins les composants mécaniques ont de temps pour réagir ( poussoirs, ressorts de soupapes,... ) . Il peut apparaitre un flottement des poussoirs sur le haut des cames, ils n'ont plus le temps de redescendre en position donc les soupapes ne se referment plus correctement ( attention aux pistons qui tapent dans les soupapes). Vibrations : d'autres part plus un moteur tourne vite plus il doit être équilibré sinon des vibrations apparaissent et détruisent les paliers (arbre à cames, villebrequin, bielles). Refroidissement : Inutile de dire qu'un moteur qui tourne vite chauffe, il faut donc un bon circuit de refroidissement (radiateur plus gros). Graissage : il faut que l'huile ait le temps de redescendre des culasses sinon tout en haut et rien en bas (déjeaugeage pompe à huile ). Sachant aussi que le vilebrequin tape dans l'huile pour graisser le bas des cylindres, il enverrait trop d'huile, il existe des Oil-scrapper (racleur d'huile) qui racle le surplus d'huile sur son profil.

Puis limite par l'architecture des moteurs et des véhicules : Architecture : en ligne, à plat, en V voir en W cylindres imbriqués. La place dans le compartiment moteur ( avant, arriére, central ) et le centrage des masses (centre de gravité) ont des limites. Sur un moteur en ligne ( cylindres verticaux) : si on veut faire un longue course il sera forcément haut : pas possible si monté à l'arriére et poids trés haut donc mauvais comportement routier. Si on fait un course courte ( gros alésage) il sera forcément long : donc pas de montage tranversal pour traction (largeur) ou long capot moteur pour le caser en longitudinal (soit recul de l'habitacle, soit empattement long moins vif en virage). Sur un moteur à plat : un longue course sera forcément trés large mais il devra passer entre les longerons (arriéres sur américaines style Corvair ou avants sur subaru). Sur un moteur en V : on adaptera l'angle du V ( 60°, 90°, 135°) pour obtenir un compromis encombrement-cylindrée entre l'architecture à plat et en ligne tout en se préservant des vibrations (les cylindres ne sont pas en face les uns des autres, décalés pour les bielles).

Pour tout ses moteurs il faut prendre en compte la place pour les accessoires: alternateur, pompe direction assistée, clim...

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B-LE TAUX DE COMPRESSION LIE A LA CYLINDREE / MODIFICATIONS : réparation ou performance / LES LIMITES .

1-DEFINITION .

A partir de la cylindrée ( volume déplacé par le piston) on obtient un rapport entre deux volumes: aspiré / comprimé. Aspiré: volume piston totalement en bas (PMB) et comprimé : volume piston totalement en haut (PMH). Il faut une certaine compression du mélange air-essence pour pouvoir le faire exploser par l'étincelle de la bougie au bon moment. Pas assez -> mauvais rendement, peu ou pas d'explosion / Trop -> auto-inflammation aléatoire (cliquetis). Le taux de compression est généralement de 6:1 à 7:1 pour les vieux moteurs, 7.5:1 à 8.5:1 sur moteur dégonflés USA mi 70's, 9:1 à 11:1 dans les moteurs de route avec les essences du commerce et jusqu'à 13:1 ou 14:1 dans les moteurs de compétition avec Essence spéciale à haut indice d'octane .

Le cliquetis: lorsque l'explosion à lieu avant d'avoir atteint le point mort haut elle s'oppose à la montée du piston. Fait un clic caractéristique, risque destruction.

La Mesure : toute les bougies enlevées et accélérateur grand ouvert, on part de la pression atmosphérique " 1 " et on comprime en faisant tourner le moteur à vide au démarreur, si taux de compression de 10:1 on lira 10 bars (exemple essence), si 20:1 on lira 20 bars (exemple diesel). Tout les cylindres doivent être proches de la bonne valeur. L'unité est le bar en Europe ( 1 bar = 1 kg/cm2 = 100Kpa ) et le PSi aux USA . 1 Bar = 14.5 Psi .

2-MODIFICATION DU TAUX DE COMPRESSION-CYLINDREE PAR REPARATION OU POUR PERFORMANCE / ET LES LIMITES .

Les modications du taux de compression sont souvent liées aux modifications de la cylindrée. Sur la modification du taux de compression il est plus rare de vouloir le baisser (ajout d'un turbo ou d'un compresseur / rare cas de moteur performance que l'on repasse sur route). La plupart du temps on veut l'augmenter. C'est notamment le cas pour les moteurs américains V8 des mi 70's aux 80's qui avaient été " dégonflés " suite au choc pétrolier et aux normes anti-pollution (chute du taux de compression et donc de la puissance). Par exemple Le même V8 GM small-block 350ci de 250cv du début 1970 est passé à moins de 180cv fin 70.

En moteur atmosphérique (pas de turbo ou de compresseur) on fait évoluer soit le volume final ( diminution du volume comprimé avec piston complétement en haut : chambre de combustion) soit le volume total (augmentation du volume aspiré avec piston totalement en bas) soit les deux. On peut modifier le taux de compression pour plusieurs raisons et de différentes façons.

Pour tous ces cas de modification il y a une limite.

Limite de la chambre de combustion plus petite : (diminution du volume piston totalement en haut) il faut quand même bien pouvoir ouvrir les soupapes sans toucher les pistons ( levées) donc on doit conserver une certaine hauteur de chambre. De plus il faut qu'une culasse soit disponible, soit un modéle du constructeur compatible ( d'une autre année ou d'une autre version), soit un modéle de seconde monte ( Préparation moteur ). Par exemple chez Pontiac sur un 455ci une culasse constructeur 4X de 1973 à une chambre de combustion plus petite que sur une culasse 4X de 1974 -> passage de 8.5:1 à 9.2:1 et 100% compatible .

Limite du piston bombé ( ou réhaussé): (diminution du volume piston totalement en haut) là aussi les soupapes doivent passer. Pour cela dans le dome du piston (ou dans la réhausse) ont pratique des usinages ( Dish) qui les laissent passer. Ces pistons s'appellent des Dished piston.

Le réalésage pour réparation ou performance : (augmentation du volume piston totalement en bas) en cas d'usure du cylindre (rayé, ovalisé,... ) il est prévu de pouvoir réaléser plus gros: les cotes réparations. A partir de l'alésage d'origine appelé Standard ( STD) il y a plusieurs cotes par tranche de 0.010 inch , STD / 0.010 / 0.020 / 0.030 .... mais pas à l'infini. Si on modifie l'alésage on augmente la cylindrée mais pas le volume final de la chambre de combustion donc on augmente le taux de compression. Par contre toute augmentation d'alésage implique de changer les pistons et les segments associés. Aux USA les pistons de seconde monte sont généralement marqués de leur cote ( Standard ou réparation). Voir aussi Préparation moteur section pistons .
Les limites du réalésage : on ne peut pas réaléser à l'infini car il faut garder assez d'épaisseur de métal (thickness) pour supporter la pression (cylindre, entre 2 cylindres, prés d'un canal d'eau ou de retour d'huile). Par exemple sur small-block GM il est recommandé de ne pas dépasser la cote + 0.030 .

L'augmentation de la course (Stroker): augmentation du volume par course plus longue. Pas si simple car pour augmenter le volume il faut déja que le piston descende plus bas (maneton sur vilebrequin plus bas), mais si il descend plus bas au point mort bas il n'en sera que plus haut au point mort haut (rotation maneton). Cependant la hauteur entre le plan de joint de culasse (Deck) et l'axe des paliers du vilebrequin est fixe (appellée Deck height -> hauteur de bloc). De toute façon on ne peut pas dépasser le plan de joint de culasse à cause des segments et des soupapes. Il faut donc modifier la hauteur du piston pour laisser passer les contrepoids du vilebrequin en bas (Piston height) , la hauteur de l'axe de fixation de la bielle sur le piston (Wirst pin height ) et la longueur de bielle ( Rod height). Si la hauteur passe, attention aux angles.....

L'augmentation de course , le Stroker kit (tout en 1 ):

pour que l'on puisse augmenter la course en respectant la géométrie interne du moteur sans rien toucher il éxiste des Stroker kit ( kit de rallongement de course ). Ils comportent le vilebrequin modifié ( manetons de bielle plus haut pour plus de course ) les pistons (plus bas axe plus haut), bielles (plus longues), etc.... Le tout pour une cylindrée plus grande et un taux de compression maitrisé . Voir aussi Préparation moteur .

Les limites de l'augmentation de course :

On ne peut pas augmenter la course à l'infini, déjà parce qu'il faut avoir une hauteur de cylindre suffisante pour descendre le piston plus bas. En faisant descendre le piston plus bas on risque de toucher les contrepoids du vilebrequin, il faut garder de la place (Counterweight Clearance). En mettant des bielles plus longues on obtient des angles plus grand qui peuvent faire toucher le bas de cylindre.

3-MODIFICATION TAUX DE COMPRESSION PAR SURALIMENTATION TURBOCOMPRESSEUR (Turbo) OU COMPRESSEUR (Blower).

Comme dit plus haut si on raméne un volume de 10 à un volume de 1 on obtient 10:1 et 10 bars, mais seulement avec une pression de départ atmosphérique ( taux de compression statique).

La suralimentation ne touche pas à la cylindrée : alésage, course ou volume de la chambre de combustion. On joue ici sur la pression et la quantité de mélange. Plus de mélange à plus haute pression égal augmentation du taux de compression. Le but des turbos et compresseurs et de rajouter entre 0,5 bars et 1 bar de suralimentation dans le cylindre. On regarde ce qu'on appelle l' ECR: Effective Compression Ratio -> taux de compression final avec suralimentation. Vu qu'on met plus de pression MAIS AUSSI plus de mélange le taux de compression final avec suralimentation sera beaucoup plus élevé qu'en atmosphérique. On sera obligé de baisser le taux de compression statique pour garder un ECR inférieur à 12:1 (max recommandé pour la compétition et plutôt 11:1 max pour la route en essence du commerce).

Les américains utilisent maintenant beaucoup la suralimentation " supercharged " , avec compresseur ( plus simple juste modification des poulies d'accessoires) ou avec turbocompresseur ( plus compliqué car modification des échappements, du circuit de graissage et prends plus de place dans le compartiment moteur, sans compter la chaleur). Par exemple: un moteur dégonflé des années 70's en 8:1 si on lui met un compresseur avec 0,5 bar de suralimentation il arrivera à 12:1 de compression ECR.

  

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