Performance 4 Temps

PERFORMANCE 4 TEMPS v3.1

Marc Julien

Performance 4 temps 1

PERFORMANCE 4 TEMPS

troisime dition

Marc Julien

Des copies papiers peuvent tre disponibles du manuel version 1, informez-vous!


Marc Julien 2009, 2012

ISBN : 978-2-9811161-2-9 dition numrique

dition : 3 Date : 31 dcembre 2012

CONFIGTECH

MONTREAL, CANADA [email protected]

La distribution de ce manuel est gratuite, mais vous tes invit faire une contribution (exemple $2) par paypal ladresse prcdente si vous le souhait. Aucune obligation.

Bien que beaucoup defforts furent pris pour que linformation contenue dans ce livre soit la plus juste possible, aucune responsabilit peut tre accepte par lauteur, la maison ddition, limprimeur pour les pertes, ou la distribution lectronique, dommages et blessures qui pourraient rsulter, caus par les erreurs ou omissions dinformation. Il est important de respecter les lois et rglements. Linformation contenue dans ce manuel est pour usage sur circuit. Cest au lecteur de sassurer que les modifications apportes respectent les lois et rglements.

Photos de la couverture :

En haut, voiture de lauteur, photo par Serge Lacroix Au centre, voiture de Martin Legault, Photo courtoisie de Christian Paquet -- [email protected]

En bas, moto dric Fortin, Photo courtoisie dric Fortin, www.quebec-trackdays.com

Remerciement :

Isabelle Gagnon-Zeberg (pour sa patience), Alexandre Mass (pour sa grande contribution), Marc Delisle, Serge Nolin

Gros merci aux commanditaires de la premire dition.

Photos lintrieur du manuel: part exception et o indiqu, les photos et images ont t prises par lauteur.


TABLE DES MATIRES 1 INTRODUCTION AUX MOTEURS COMBUSTION 7 2 COMMENT AMLIORER LES PERFORMANCES 11 3 INTRODUCTION LA PRPARATION DE MOTEUR 15 4 QUELQUES AUTRES NOTIONS DE BASE 25 5 RAPPORT DE COMPRESSION 30 6 ADMISSION 38 7 SYSTME DCHAPPEMENT 64 8 CULASSE 74 9 PISTON 93 10 SEGMENT 100 11 BIELLE 103 12 VILEBREQUIN 106 13 BLOC 110 14 COUSSINET 115 15 QUILIBRAGE 122 16 LECTRIQUE 126 17 SYSTME DE REFROIDISSEMENT DU MOTEUR 138 18 SYSTME DE LUBRIFICATION 143 19 HUILE MOTEUR ET HUILE POUR TRANSMISSION 150 20 EMBRAYAGE 169 21 VOLANT 171 22 TRANSMISSION 172 23 INJECTION DEAU/MTHANOL 182 24 TRADUCTION FRANAIS ANGLAIS 184 25 ABRVIATION 185 26 CONVERSION 186 27 HISTOIRES COCASSES 187 28 RFRENCE 191


Version version : Il est clair dans un premier temps que chaque dition est toujours un document partiel de ce que je sais. En plus, chaque anne apporte son lot de nouvelles connaissances suite des recherches bien spcifiques aprs des problmes, ou encore par curiosit. Il peut arriver que des versions prcdentes apportent son lot dinformation que je croyais vrai mais dont ma position sest rvise suite de nouvelles informations. V1 (novembre 2012): Plusieurs corrections sur le texte; peu de changement de contenu; ajout de lindex; complments dinformation pour les embrayages; ajout du chapitre 4 dont le contenu tait plus dispers dans le manuel; correction du gain des engrenages droits versus hlicodales. V2 (2013): Rvision importante de la section sur les huiles; complment dinformation pour les coussinets et les jeux; complment dinformation pour les formules de suralimentation.


INTRODUCTION Pourquoi crire un autre livre sur les moteurs? Il y a en effet beaucoup de manuels donnant de gnreux renseignements utiles pour la prparation de moteurs, mais bien peu en franais. Ainsi, ma premire intention tait de rdiger un manuel pouvant aider les lecteurs francophones approfondir leur comprhension des moteurs. lcole on me prnommait moteur , quel surnom me direz-vous! Jai videmment un intrt prononc pour les moteurs, mais il faut bien le dire, plus important que le moteur est ce quon peut faire avec. Atteindre des vitesses incroyables sur une piste de course demeure un moment trs zen, o le but est daller le plus rapidement en tant le plus calme possible. Cest 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 haute vitesse avec larrire qui se drobe, le genou bien appuy au sol, cest lextase! Jai beaucoup gout la piste en moto (dans tous les sens du mot), cest la puissance ltat pur! Maintenant plus sage, au lieu de rouler sur une roue je tente maintenant de rouler sur 2 en auto. Jai fait beaucoup dexprience sur diffrents moteurs, et il faut bien le dire, jai aussi fait bien des essais moins heureux. Jai t confront apprendre bien souvent par moi-mme beaucoup de choses, parce que la connaissance est difficilement disponible, parce quil y a beaucoup de prjugs, parce que ceux qui en connaissent long ne dsire par toujours dvoiler leur secret. Eh oui disons-le, je ne suis pas un comptitif, je prfre aider par le biais de ce manuel ceux qui comme moi ont une vritable passion pour la vitesse sur circuit. Aller rapidement demande dabord dtre apte se dpasser soi-mme, avoir une bonne technique de conduite, une bonne mcanique, puis tre en mesure den tirer profit. Pour en tirer profit, il faut parfois dpasser les prjugs. quel rgime doit-on changer de rapport? Les rponses cette question la base assez banale deviennent rapidement un grand dbat de perception, vous trouverez une rponse trs claire dans ce manuel. Est-il prfrable davoir un systme dchappement de grand diamtre? Peut-tre pas, on verra ensemble ce quil en ressort. Le manuel sadresse qui? Lorsquon magasine pour des pices, nous sommes devant un nombre de choix important de pices diffrentes dont chaque manufacturier indique queux ont la BONNE solution. Jai dsir rdiger un manuel qui tente de donner les renseignements utiles pour un amateur de performance qui souhaite avoir des conseils utiles. tant ingnieur de mtier, je nai pas pu rsister la tentation dinclure nombre de calculs, parfois simples, parfois beaucoup moins, pouvant intresser des personnes ayant une approche plus thorique. Pour moi, la thorie sert parfois dmystifier certaines perceptions populaires, dj 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 quil est impossible quun moteur 4 temps produise une puissance de plus de 100 HP au litre, quun moteur ne peut tourner plus rapidement que 7 000 rpm au risque de sautodtruire, enfin, quil ny a rien de plus rapide sur le premier 3 mtres quun gros camion, car cette distance correspond un seul tour de roue Ces trois exemples sont des choses que jai bel et bien entendues lorsque jtais gamin, qui nont cess de me hanter, qui mont pouss aller chercher la connaissance suffisante pour me faire ma propre opinion. La thorie est une chose, la pratique une autre. la base, jai une approche davantage thorique de la mcanique, jai la chance davoir un frre-mcanicien qui est loppos de moi, ayant une approche pratico-pratique. Mutuellement, chacun de nous avons influenc lautre. Cette influence ma forc devenir plus pratique, si je vous disais le nombre dheures que jai passes sur des tours et fraiseuses pour modifier des moteurs, vous ne le croiriez pas! De lautre cot, je vois mon frre faire ses calculs de rapports de transmission, ou rflchir la pression atmosphrique ainsi qu laltitude afin de prvoir la dimension des gicleurs mettre dans ses carburateurs. Je tiens donc remercier mon frre pour ces influences. Il ne faut jamais sous-estimer lexprience des mcaniciens de mtier et les centres spcialiss, lexprience dpasse bien souvent les notions thoriques, la thorie seule ne permet pas dassembler un moteur. De plus, cest triste de le dire, mais chaque moteur et transmission ont leurs particularits, encore une fois, lexprience pratique sur un moteur ne nous rend pas expert des autres moteurs. Chaque moteur ont leurs dfauts spcifiques un peu comme nous quoi! Je vous souhaite une bonne lecture, esprant que ce manuel demeure une source dinformation pour vous lors de vos prparations de moteur. videmment, je passe plus de temps travailler sur mes vhicules qu crire, ne soyez pas trop svre sur la qualit du franais! De plus, la copie que vous avez en main est une dition par lauteur, dont le faible tirage ne justifiait pas de mettre une somme colossal en correction. Et si vous voulez rire un peu de mes btises, je vous invite lire la section histoires cocasse qui ne vous apprendra rien techniquement, mais qui risque nanmoins de vous faire rigoler. Enfin, il y cette deuxime version o je me suis ravis sur certains sujets, quitte contredire la premire version. Dsol, la vie est un long apprentissage!


1 INTRODUCTION AUX MOTEURS COMBUSTION

Le moteur 4 temps sera le sujet de ce manuel, plus spcifiquement la prparation de moteurs dautomobiles et de motos pour la course. On abordera aussi les lments de transmission. Ce manuel se veut un guide, il a t prpar selon le meilleur de mes connaissances. Jessaierai tout au long du manuel davoir une approche la fois thorique et vulgarise. Bonne lecture.

1.1 MOTEUR 4 TEMPS

Des moteurs combustion, javoue mon faible pour le moteur 4 temps, jaurais tendance croire que je ne suis pas seul. videmment, les moteurs combustion polluent, ils sont probablement ports disparatre, mais les moteurs 4 temps tels quon connat sont le fruit de beaucoup dannes de recherche et dveloppement, bas sur une ide qui nest pas dhier. Le moteur combustion 4 temps avec allumage par bougie est aussi nomm moteur fonctionnant selon le cycle Otto, du nom de linventeur industriel Nikolaus August Otto. Si vous allez sur des sites comme Wikipedia, vous pourrez trouver le cycle thorique qui fait appel toutefois plusieurs notions thoriques. Ici, on se limitera sa description, et ses quelques implications. Prsentons dabord le moteur 4 temps comme tant 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) - Dtente (voir image 3.0 de la Figure 1-1) - chappement (voir image 4.0 de la Figure 1-1)

La Figure 1-1 montre les 4 temps du moteur ainsi que les temps intermdiaires. En pratique, chaque temps sentremle avec les temps prcdents et subsquents. Les images montrent un moteur ayant deux arbres cames en tte relativement agressifs. chacune des images, certaines observations peuvent tre faites, qui seront reprises tout un long de ce manuel. limage 0.5, on peut remarquer que la soupape dchappement est encore ouverte, ainsi que celle dadmission. cette tape, les gaz dchappement sont aspirs par leffet daspiration du systme dchappement. La soupape dadmission est dj ouverte afin de prendre de lavance en vue de laisser entrer un maximum dair frais le moment venu. Toutefois, lair frais arrivant de ladmission peut se diriger directement vers lchappement ce qui nest pas souhaitable. Cette tape est trs critique, le choix des composantes du moteur influence beaucoup ses performances et son dynamiste. cette tape, on dira quil y a chevauchement des cames dadmissions et dchappements. limage 1.0, lair frais et le carburant entrent dans le cylindre. On peut remarquer que larbre cames de ladmission na pas encore atteint son maximum douverture. limage 1.5, le piston est rendu au point mort bas. La soupape dadmission demeure encore ouverte, bien que le piston dbute sa remonte, de lair frais pourra encore entrer cause de son inertie. Encore ici, le choix de larbre cames dadmission influencera grandement le comportement du moteur. Ces quelques degrs o la soupape est encore ouverte comptent beaucoup. limage 2.0, le moteur est en mode compression, les gaz se compriment, la temprature augmente cause par cette compression. ce stade, le moteur consomme de lnergie, cette nergie est puise mme linertie des masses telles que le volant. limage 2.5, le mlange air-essence est pleinement comprim, et ltincelle de la bougie enflamme le mlange. En pratique, ltincelle a dj eu lieu bien avant que le piston arrive au point mort haut. La combustion du mlange nest pas instantane, il est ncessaire de donner de lavance ltincelle afin que la combustion cre une pression maximale au bon moment aprs que le piston air atteint le point mort haut. limage 3.0, le piston est pouss vers le bas par la pression gnre lors de la combustion. La pression sur le piston se transmet au vilebrequin via la bielle.


limage 3.5, la dtente est arrive son terme, et la soupape dchappement est dj ouverte depuis peu. ce stade, le systme dchappement peut dj crer une aspiration. Encore une fois, les degrs davance de louverture de la soupape dchappement ont un effet important sur le comportement du moteur. limage 4.0, le piston remonte et pousse contre les gaz dchappement.

0.5 Point mort haut, fin de lchappement, dbut de

ladmission 1.0 Milieu de ladmission

1.5 Fin de ladmission, dbut de la compression

2.0 Milieu de la compression

2.5 Fin de la compression,

le carburant est enflamm, cest le dbut

de la dtente

3.0 Milieu de dtente 3.5 Fin de la dtente,

dbut de lchappement 4.0 Milieu de

lchappement

Figure 1-1, Cycle complet dun moteur 4 temps allumage par bougie Un moteur 4 temps est trs mallable au niveau de sa personnalit en jouant avec diffrents paramtres tels que les arbres cames, le systme dadmission et le systme dchappement. Le moteur 4 temps est le fruit de beaucoup de travail. Les premiers moteurs avaient les soupapes dchappement plus grandes que celle dadmission, ce qui est maintenant tout fait le contraire depuis des dcennies. Il est fort parier que cette tendance est explicable par le fait que le gaz ayant subi une combustion prend de lexpansion, ce qui laisse croire limportance davoir des soupapes dchappement plus grandes.


Noter quun moteur de 2 litres ayant 4 cylindres sous-entend que chaque cylindre dplace un volume de 0.5 litre, soit 2 litres diviss par 4. Le fait que le cycle du moteur 4 temps se fait sur 2 tours de moteur signifie que chaque cylindre consomme jusqu 0.5 litre (avec un remplissage 100%) dair par 2 tours. Le volume dplac correspond au volume que le piston dplace entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB). Le volume de la chambre de combustion nest pas inclus dans ce calcul, on en tiendra compte dans le calcul du rapport volumtrique, qui lui influence les performances du moteur. La cylindre dun moteur (Vm) est laddition de la cylindre de chaque cylindre, et la cylindre dun cylindre est fonction de lalsage (B) et de la course du moteur (S). En quation, cela donne : Vm = B

2 x S x nombres de cylindres x .0007854

(.0007854 = pi / 4 / 1000 ) Si lon prend un moteur 4 cylindres ayant des pistons de 82 mm de diamtre (alsage) et une course de 85 mm, on obtiendra donc un moteur ayant une cylindre de : Vm = 82

2 x 85 x 4 x .0007854

= 1796 cc = 1.8 litre (1000 cc par litre)

1.2 MOTEUR 2 TEMPS

Il nest pas question du moteur deux temps dans ce manuel, mais notons quun moteur 2 temps fait les 4 temps du moteur 4 temps en seulement 1 tour. Ainsi, un moteur de 1 litre consommera en thorie 1 litre dair tous les tours, soit le double dun moteur 4 temps de mme cylindre. Cela quivaut dire quun moteur 2 temps est potentiellement 2 fois plus puissants quun moteur 4 temps au mme rgime. Toutefois, lefficacit plus faible dun moteur 2 temps le rend lgrement moins puissant que ce double. Autrefois on disait des moteurs 2 temps quils atteignaient des rgimes de moteur stratosphrique, mais le dveloppement des moteurs 4 temps au cours des dernires dcennies changer la donne. Ainsi, les petits moteurs 2 temps continus avoir des rgimes trs leves approchant les 20 000 rpm, mais cylindr gale, pour les moteurs de cylindr plus importante, les moteurs 4 temps de haute performance atteignent maintenant des rgimes plus levs que les moteurs 2 temps. Javoue avoir une aversion profonde envers le moteur 2 temps qui ma souvent frustr par son manque de fiabilit et une moins bonne flexibilit de conception que le moteur 4 temps. Toutefois, leur puissance, leur simplicit mcanique ainsi que leur poids rduit leur permettent davoir de fidles amateurs. Je continue leur trouver un charme vident du point de vue de la sonorit.

1.3 MOTEUR DIESEL

Bien quil ne soit pas question des moteurs diesel dans cet ouvrage, il est tout de mme intressant de connatre les principales diffrences par rapport au moteur combustion normal. Tout dabord, le moteur est adapt lutilisation dun carburant de type diesel. Le diesel se diffrencie des essences normales par le fait que cest un carburant ayant plus dnergie inhrente, plus apte obtenir une combustion sans le besoin de systme dallumage, et enfin, une capacit bruler dans une plus large bande de ratios air-carburant. Un moteur diesel peut tre conu selon les configurations 2 et 4 temps. Toutefois, avec les normes antipollution, le moteur 4 temps est dornavant la norme dans lindustrie. Mcaniquement, les plus grandes diffrences sont :

- Les moteurs diesel nont pas de papillon dadmission, le moteur salimente donc dun plein volume dair. Le fait de ne pas avoir de papillon dadmission explique aussi le fait que le moteur diesel a naturellement moins deffet frein moteur que ceux essence. Seule la quantit de diesel fourni module la puissance et le rgime.

- Le moteur diesel fonctionne avec un rapport de compression beaucoup plus lev que ceux essence fonctionnant avec des carburants indice doctane normal. Le fait que le moteur ne possde pas de papillon dadmission, le taux de compression est donc constant.

- Le moteur ne possde pas de systme dallumage par tincelle. La chaleur cre par la compression du moteur permet donc dauto enflamme le mlange compris dans la chambre de combustion.

Le moteur diesel est une invention de Rudolf Diesel, et date des annes 1893-1897. lorigine, le moteur fut dvelopp afin de pouvoir fonctionner avec une large gamme de carburant.


1.4 CONFIGURATION DE MOTEUR

Les configurations L4, L6, V6 et V8 sont les configurations les plus frquentes sur le march automobile. L4 indique que la configuration des cylindres est en ligne, alors que le V indique une configuration en V. Langle entre le V est variable, mais on retrouve souvent un angle de 60 ou 90 degrs. Le chiffre suivant la lettre est le nombre de cylindres du moteur. Dautres configurations moins frquentes sont aussi employes. On retrouve quelques fois un arrangement de type plat, dfini comme H, pour horizontal. Il y a aussi les VR utiliss par Volkswagen sur certains de leurs modles, qui consiste en un V extrmement serr. Un nombre de cylindres important permet gnralement davoir plus de puissance pour un moteur de mme cylindr. Le lien entre puissance et nombre de cylindres nest pas direct. La cylindre et le rgime de fonctionnement sont les lments principaux pour promouvoir la puissance dun moteur. Un nombre important de cylindres permet datteindre des rgimes de rotation de moteur plus important avec la mme technologie, ceci cause de pices en mouvements plus lgres, et entre autre les efforts plus faible sur les bielles. Voici quelques configurations typiques incluant une application courante :

Code Application typique Force Primaire Force

secondaire Moment primaire

Moment secondaire

L2 Suzuki GS500 (moto) ND ND ND ND

L3 Smart fortwo, Triumph (moto) Balanc Balanc Non balanc Non

balanc

L4 Trs commun pour auto et

moto Balanc Non balanc Balanc Balanc

L5 Certaines Audi et Volvo Balanc Balanc Non balanc Non

balanc

L6 BMW, Nissan Balanc Balanc Balanc Balanc

V2 Ducati (moto), Harley (moto) Non balanc Non balanc Balanc Balanc

V4 Ducati (moto), Honda (moto) ND ND ND ND

V5 Honda (moto de course) ND ND ND ND

V6 Trs commun pour les autos Balanc Balanc Non balanc Non

balanc

V8 Trs commun pour les autos Balanc Balanc Non balanc Balanc

V10 Dodge Viper ND ND ND ND

VR6 Volkswagen ND ND ND ND

W16 Bugatti Veryon ND ND ND ND

H4 Subaru Impreza, Volkswagen

Coccinelle Balanc Balanc Balanc

Non balanc

H6 Porsche 911 Balanc Balanc Balanc Balanc

Table 1-1, Liste de configurations de moteur (ND : information non disponible) Certaines configurations ont des avantages de poids, dautres de compacit, enfin dautre de simplicit mcanique, etc. Gnralement, une conception de moteur entraine toujours une forme de compromis. Personnellement, je suis adepte des moteurs en ligne pour leur poids minimal et leur simplicit mcanique. Par contre, il nest vraiment pas intressant de concevoir un moteur de 5 litres en configuration 4 cylindres. La Table 1-1 inclus des informations sur lquilibrage naturel des moteurs selon leur configuration, il en sera question dans la section reli lquilibrage.


2 COMMENT AMLIORER LES PERFORMANCES

cette question, il y a plusieurs rponses en fonction de votre exprience et de la discipline auxquelles vous voulez participer. La rponse 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 daccidents cause de la vitesse est important et peut causer la mort de personnes innocentes. Dans ce manuel, je vais traiter de lamlioration des performances en fonction dun usage sur piste ferme. la question comment amliorer les performances? , la rponse se divise en plusieurs points, voyons-les ensemble :

- La technique de conduite - Lamlioration du comportement du vhicule - Lamlioration de la puissance du vhicule - Loptimisation de lutilisation de la puissance - La rduction du poids du vhicule - La rduction des pertes lies au vhicule

Je sais que vous avez dcid de lire ce manuel afin de vous aider la prparation de votre moteur, ma premire rponse va possiblement vous dcevoir. La technique de conduite est le premier pas faire. Si vous faites de la course dacclration, vous devrez avoir de trs bon temps de rponse, car la course dacclration nest pas uniquement une course de moteur, mais une course du temps daction lorsque le feu tourne au vert. Pour la course sur circuit routier ou rallye, les techniques de pilotage prennent encore plus dimportance. Jirais mme jusqu dire quune voiture trs puissante risque de vous dsavantager, plus cest puissant et plus le vhicule devient difficile contrler, tes-vous prt? tout jeune me posant la question qu'est-ce que je devrais faire sur mon auto? , je rponds, mets de bons freins et de bons pneus, et apprends. Le monde virtuel des jeux vido peut bien avoir des trs bons simulateurs deffet, mais rien ne devient aussi fragile quune voiture trs modifie, au risque donc de vous obliger faire de la mcanique au lieu de conduire. Je me rappelle plusieurs fois o je men prenais des voitures beaucoup plus puissantes que la mienne, ayant tous les avantages, mais dont je finissais par passer en avant et tre plus rapide, et ce, par la technique de conduite. La vie est une question de perception, certains hsiterons installer des pneus extrmement agressifs pour des raisons conomiques. Des pneus agressifs reprsentent une dpense moins leve que des modifications intenses au moteur. Un moteur puissant ne dure pas ternellement. Lamlioration du comportement du vhicule est pour moi la deuxime chose la plus importante sur circuit, mais cest moins vrai pour les courses dacclration. Dans un premier temps, il faut travailler sur la fiabilit de lauto, ce qui brisera en premier sera les freins. Malheureusement, ce manuel ne traite pas de ce sujet, le sujet est vaste. Dans un deuxime temps, on peut penser lamlioration de la tenue de route. Omis les pneus, ces modifications nentraineront pas beaucoup de frais dentretien, en plus de toujours tre 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 nest pas aussi simple que ce que a semble, il est facile de se mettre acheter tous les gugusses la mode, alors que ce nest bien souvent pas ncessaire. Mais sincrement, si vous avez une bonne tenue de route et une bonne technique de conduite, vous risquez dtonner bien des gens. Nous y sommes finalement, la puissance du moteur. Cest probablement lorgane le plus sexy de lauto, rien ne surpasse limpression dun moteur surpuissant. Moi lorsque je vois des muscles car vrombissant toute leur puissance sans subtilit ni retenu, javoue que je me mets rver dun Mustang 1966 modifi, comme dans le film Un homme et une femme de Claude Lelouch. Et lorsque jentends les moteurs surpuissants des courses de drift ainsi que les moteurs de formule 1, cest ladrnaline de mes heures passes sur piste au guidon dune moto qui emplit mes veines nouveau. Mais quelle puissance! Ce sera le sujet de ce manuel, je vous souhaite dj bonnes rflexions. Noubliez pas limportance des techniques de conduite et du comportement du vhicule OK, cest la dernire fois que jen fais mention. Cest bien davoir de la puissance, mais encore faut-il pouvoir la dlivrer au sol, alors on discutera aussi de ce sujet dans ce manuel. Mais ici, bien que a najoute aucun HP (ou trs peu), cela affecte les performances, vous verrez que les budgets deviennent absolument sans limites, cest bien dommage. notre poque o les voitures sont conues pour tre scuritaires, la course contre le poids passe au second plan. Il y a bien quelques entreprises telles que Lotus qui travaillent fort diminuer le poids, les rsultats sont trs bien, mais loin derrire ce qui pourrait tre si les aspects scurits ntaient pas dans le cahier de charge. Ct ditorial, je me permets de dire que je suis profondment du de voir des automobiles comme Ferrari offrir des vhicules dont les masses deviennent tout simplement inquitantes pour la facture. Ct purement performance, le poids est


lennemi numro un. Ce quon bonifie dun vhicule puissant est sa capacit changer de vitesse rapidement, ce quon nomme acclration. Tout cela devient rapidement un charabia mathmatique, loin de mon ide de faire de ce manuel un trait de mathmatique. Je vais donc simplifier le tout et ne pas respecter les rgles mathmatiques de base. La premire simplification sera que lorsque je parlerai de force, je parlerai en utilisant lunit de kilogrammes (kg). Lorsque je parlerai de la force gravitationnelle, je parlerai dune force relative la Terre. Et jespre que mes anciens professeurs dcole ne liront pas ce manuel Lquation de base de Newton est la suivante : f = m a, o f est la force en Newton, m la masse en kg, puis a lacclration en m/s

2.

Lquation simplifie sera donc F = m A, o F est la force en kg, o m est la masse en kg, et o A est une acclration relative lacclration gravitationnelle. Lacclration gravitationnelle de 9.81 m/s

2 est souvent

exprime comme tant 1 G. Donc, si vous tes dans une courbe avec une force latrale de 1.2 G, cela sous-entend que vous tes soumis une force de votre poids vers la Terre, avec en plus une force de cote de votre poids plus 20 %. Je reviens donc lquation F = m A. F est la force que le moteur transmet aux roues de votre vhicule. Plus le moteur sera puissant, et plus cette force sera grande. Le poids de votre vhicule est m, et A est lacclration de votre vhicule. Vous pouvez voir que si je compare un vhicule deux fois plus lourd et puissant un vhicule de rfrence, lacclration sera la mme. Au lieu dajouter de la puissance, vous pourriez simplement enlever du poids votre auto, vous auriez en effet augment les performances de votre auto. Il y a des avantages avoir un vhicule lger sur piste de course, la voiture est plus maniable et plus facile diriger en drapage. En terme de performance, ce quon cherche en pratique est davoir A le plus grand possible, et A = F / m. On a bien beau avoir beaucoup de puissance, mais il arrive que la rsistance de lair devienne trop importante et empche la voiture dacclrer. Cet effet est caus par la rsistance arodynamique. Si lon oublie la rsistance arodynamique un instant, on peut dire que si lon dsire aller deux fois plus rapidement, il faut deux fois plus de puissance. La rsistance arodynamique est quant elle une relation au carr, c'est--dire que pour aller 2 fois plus vite, il faut tre 2 x 2 = 4 fois plus puissant. En pratique, si vous dsirez atteindre une vitesse deux fois plus leve, il vous faudra une puissance 8 fois suprieures, soit une fonction cubique. Prenons un vhicule demandant 50 HP pour rouler 160 km/h. Si lon dsire 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 vhicule demande 100 HP 160 km/h, cela se traduit par une puissance de prs de 340 HP pour atteindre 240 km/h. Vous noterez quici je ne parle pas de poids, la vitesse maximale dun vhicule est somme toute indpendante du poids (sauf pour la friction de roulement). Le poids influence lacclration ce qui modifie la rapidit 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) O : Pf = Puissance requise pour vaincre la friction Pt = Puissance la sortie de la transmission Ff = Force de friction du vhicule et dont lquation se rsume peu prs a : Ff = Ft + Fr O: Ft = force de train arodynamique Fr = force de rsistance au roulement Ft = V

2 x Sv x Cx x .0049

La valeur .0049 est une valeur approximative, et varie en fonction de la pression atmosphrique et de la temprature de lair.


Fr = m x .015 La valeur .015 est une valeur approximative et correspond une friction de 1.5 %, des pneus de course extrmement adhrent peuvent conduire une friction plus leve. O : V est la vitesse du vhicule (km/h) Sv est la surface frontale du vhicule (m

2)

Cx est le coefficient arodynamique du vhicule, valeur entre .25 et .65 Ici, on peut finalement voir que loptimum est davoir un vhicule petit, trs arodynamique, et lger.

Coefficient arodynamique

Auto Anne 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 arodynamique (donnes non vrifies) En pratique, il est trs difficile de trouver des donnes de confiance pour les coefficients arodynamiques, il est frquent den trouver qui diffre dune source lautre. De plus, avec laccroissement du format des vhicules, on trouvera souvent le Cx, mais rarement le Sv x Cx (souvent indiqu comme SCx), qui lui fournit la donne utile. Le Sv et le Cx sont indpendants, et on a bien beau avoir un bon Cx, si la surface frontale du vhicule (Sv) est grande, la traine sera importante. La Table 2-1 donne des valeurs typiques de coefficients arodynamiques.


Le rsultat en ce qui concerne lacclration du vhicule dpendra donc de plusieurs facteurs : la puissance du moteur; le rapport engag de la transmission; la vitesse laquelle vous tes; les caractristiques arodynamiques du vhicule; son poids; etc. Lacclration sera donc de : A = ( Pt Pf ) x 273.8 / ( m x V ) Prenons un exemple o : m = 750 kg Cx = .35 Sv = 1.69 Pt = 200 HP Et on dsire calculer lacclration 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 Ft = V

2 x Sv x Cx x .0049 = 160

2 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 diffrent rapport de la transmission pour une configuration de vhicule.


3 INTRODUCTION LA PRPARATION DE MOTEUR

La prparation dun moteur doit se faire en fonction du besoin combler. La puissance maximale nest pas un enjeu unique. La manire laquelle la puissance est dlivre est aussi trs importante en fonction de lapplication. Il faut bien savoir ce quon cherche. Le choix de transmission peut lui aussi influencer la bande de puissance souhaite. Il y a aussi lenjeu de fiabilit. Un moteur utilis pour des courses dacclration ne sera pas forcment conu de la mme manire quun moteur utilis pour le circuit routier. En gnral, on peut simplifier en disant que le haut du moteur (culasse, arbre cames, admission, chappement) procure la puissance, et que le bas du moteur (vilebrequin, bloc, systme de lubrification, piston) procure la fiabilit.

3.1 COUPLE

Un moteur fournit dabord un couple. Le couple est la capacit de produire un effort en fonction dune distance. La combustion du mlange cre une pression sexerant sur le dessus du piston, puis cette pression cre une force proportionnelle la surface du piston. La force cre 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 rgime du moteur, le souhait est dobtenir un moteur ayant un couple constant du rgime ralenti au rgime maximal. En pratique, certains moteurs sen rapprochent partir dun certain rgime, mais on verra que le couple se met descendre de plus en plus rapidement mesure que le rgime continue daugmenter. Un moteur de grosse cylindr aura naturellement plus de couple quun moteur de plus faible cylindr pour un moteur atmosphrique. La transmission couple un moteur agit comme un multiplicateur de couple. En effet, si la transmission a un rapport de 3 sur le premier rapport, le couple la sortie de la transmission sera donc de 3 fois suprieure au couple du moteur. Ultimement, ce qui fait acclrer la voiture est la force (Frm) au point de contact du pneu sur la route. Mathmatiquement, on peut crire que : Frm = ( Cm * Rt * Rd * 203.9 ) / Drm ( 203.9 = 1kg/9.81N x 1000mm/1m x 2 (pour le diamtre de la roue versus son rayon) O : Cm est le couple la sortie du moteur (en N.m) Rt est le rapport de rduction des engrenages du rapport engag Rd est le rapport de rduction de pont, communment appel le rapport de diffrentiel Drm est le diamtre des roues motrices (mm) Cela sous-entend que la force change en fonction du rapport engag de la transmission. Cest cela qui explique que nous ressentons une acclration plus forte sur le premier rapport que sur le dernier. La Figure 3-1 montre une courbe de puissance typique dun moteur Honda H22A atmosphrique. La Figure 3-2 montre la force rsultante sur le point de contact du pneu sur la chausse en fonction du rapport de vitesse engag. On voit clairement dans cet exemple que bien que le couple moteur soit plus faible plein rgime, la force dacclration est nanmoins toujours suprieure sur un rapport infrieur. Il est clair que le passage de vitesse doit se faire au rgime maximal quel que soit le rapport de vitesse sur lequel on se trouve. Un autre moteur avec une autre bote de transmission donnera des rsultats diffrents, mais cet exemple est pour un moteur ayant une courbe de couple relativement constant, et coupl avec une bote de vitesse rapports rapprochs. Ces graphiques sont bass sur une bote 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 diamtre de 606 mm.


COURBE DE PUISSANCE, MOTEUR H22A

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500

RPM

CO

UP

LE

(N

.M)

/ P

UIS

SA

NC

E H

P"H22A WHP"

H22A W COUPLE

Figure 3-1, Courbe de puissance pour un moteur Honda H22A lgrement modifi

FORCE (KG) VERSUS VITESSE

Voiture 750 kg (avec pilote), Cx = .35, S = 1.69

0

100

200

300

400

500

600

700

30 55 80 105 130 155 180 205

VITESSE DU VHICULE KM/H

FO

RC

E D

'AC

CE

LE

RA

TIO

N (

KG

)

RAPPORT 1

RAPPORT 2

RAPPORT 3

RAPPORT 4

RAPPORT 5

Ff, Force de friction

Figure 3-2, Force dacclration versus vitesse

ACCLRATION (G) VERSUS VITESSE


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

30 55 80 105 130 155 180 205


AC

C

L

RA

TIO

N (G

)

RAPPORT 1

RAPPORT 2

RAPPORT 3

RAPPORT 4

RAPPORT 5

Figure 3-3, Acclration dun vhicule versus vitesse


La Figure 3-3 montre lacclration thorique que la voiture devrait avoir en tenant compte de la friction de roulement et de la rsistance arodynamique. Les Figure 3-4, Figure 3-5 et Figure 3-6 montrent les mmes courbes pour un moteur Rover V8 ayant beaucoup de couples, joint une bote Porsche Boxter 5 vitesses. Il faut voir quavec une possibilit dacclration sur le premier rapport telle quindique, la traction demeure toujours insuffisante et promet des spectacles de crissement de pneu garanti. Dans ce cas, le passage des vitesses doit se faire plein rgime lorsquon ait sur le rapport 1 et 2, mais la donne change lorsquon est sur les rapports 3 et plus. Il faut donc changer de rapport aussi tt que les courbes se croisent. Les Figure 3-7 et Figure 3-8 montrent encore une fois diffrentes courbes pour une moto Suzuki GSX1000 2005, dont le moteur a beaucoup de rallonges au-del du rgime o le HP maximum est atteint, possdant une bote de vitesse tagement extrmement rapproch. Dans ce cas il est intressant de noter la vitesse atteinte sur le premier rapport, ce choix est dict par le fait que lacclration de la moto est limite par sa capacit ne pas se cabrer sur la roue arrire. Un rapport plus court en premire ne donnerait aucun avantage, et pourrait mme tre dangereux. Ici on voit quil y a beaucoup dentrecoupement des forces au niveau des rapports suprieurs. Il est clair dans ce cas-ci quil ne faut pas changer les rapports la limite du moteur, que le rgime optimal change en fonction des rapports. Ayant fait beaucoup de pistes avec une moto similaire, en grant le rgime de passage des vitesses en me fiant uniquement au compte-tours, jtais en mesure de suivre des motocyclettes modifies avec ma moto dorigine, ayant au moins 10 HP de moins et 10-15 kg de plus. En travaillant sur le rgime de moteur, jtais arriv atteindre 288 km/h sur la ligne droite de la piste de Mosport au lieu de 265 km/h en dbut de journe. Cest donc dire que le problme est plus compliqu que ce quil semble et peut aller lencontre de ce quon ressent au volant de notre bolide. Il y a aussi certains facteurs qui trompent notre perception. Par exemple, lorsquon fait tourner notre moteur extrmement rapidement, la chute de rgime lors du passage du rapport suprieur sera plus importante que lors dun passage un rgime plus faible, et cette chute de rgime, associ linertie du moteur cre un choc nous donnant limpression que notre bolide est trs puissant. Il y a aussi ltagement des rapports qui change notre perception. En ce sens, si vous avez une transmission avec des rapports trs espacs, leffet de linertie du moteur cre encore une fois un choc plus violent. Dans le mme sens, plus vous avez une transmission avec des rapports rapprochs, et plus vous obtenez de la performance avec moins dmotions. La position de conduite influence elle aussi notre perception. acclration gale, un pilote de moto de course courb sur lui-mme ressent beaucoup moins dacclration quun 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, jtais assis sur la banquette arrire, le pilote partit en trombe, quelle motion. Lauto se cabrait sous leffet de la puissance, la suspension stirait, et le passage du deuxime rapport entrainait un choc intense. Lorsque je vis la faible vitesse laquelle nous tions arrivs, quelle dception, moi qui ne ressentais rien de cela avec ma moto qui passait de larrt 100 km/h en moins de 2.5 secondes. Les plus rcentes motos de la catgorie sport acclrent dans les faits un peu moins basse vitesse (100 km/h et moins) que les motos un peu plus anciennes, ces dernires ne se cabraient pas sur la roue arrire cause dun empattement plus important, et un centre de gravit plus bas. Ma dernire moto atteignait une vitesse de plus de 160 km/h sur le premier rapport, cela signifie que la seule chose faire jusqu cette vitesse est dattendre, et le temps parat soudainement trs long. lautre extrme, prenez un motocross dont il faut passer 6 rapports pour atteindre 100 km/h, que dmotions mes amis! Une surdose dadrnaline. Il faut tre clair, pour aller rapidement sur circuit, moins quil y a dlments suggrant leffet de vitesse, et plus il sera facile daller rapidement sans atteindre un niveau dinconfort motionnel. En rsum, pour tre performant, vous allez dpenser beaucoup dargent pour obtenir ventuellement moins dmotions. Si vous voulez de lmotion, achetez-vous une vielle Lada, installez un turbo, installez des pneumatiques de course, puis enlevez les freins. Je suis certain que cela va tre trs impressionnant!


COURBE DE PUISSANCE, ROVER V8 4.6 L

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

RPM

CO

UP

LE

(N

.M)

/ P

UIS

SA

NC

E H

P

"ROVER V8 WHP"

ROVER V8 W COUPLE

Figure 3-4, Courbe de puissance pour un moteur Rover V8 4.6 litres lgrement modifi



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

30 55 80 105 130 155 180 205


FO

RC

E D

'AC

CE

LE

RA

TIO

N (

KG

)

RAPPORT 1

RAPPORT 2

RAPPORT 3

RAPPORT 4

RAPPORT 5

Ff, Force de friction

Figure 3-5, Force dacclration versus vitesse

ACCLRATION (G) VERSUS VITESSE


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

30 55 80 105 130 155 180 205


AC

C

L

RA

TIO

N (

G)

RAPPORT 1

RAPPORT 2

RAPPORT 3

RAPPORT 4

RAPPORT 5

Ratio:

Diff: 3.89

1: 3.5

2: 2.11

3: 1.43

4: 1.03

5: .837

Figure 3-6, Acclration dun vhicule versus vitesse


COURBE DE PUISSANCE

Suzuki GSX1000 2005 (valeurs approximatives)

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

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)

CO

UP

LE

(N

.M)

/ P

UIS

SA

NC

E H

P

WHP

W COUPLE

Figure 3-7, Courbe de puissance dune moto GSX1000 2005


Suzuki GSX1000 2005 (valeurs approximatives)

100

200

300

40 80 120 160 200 240 280 320


FO

RC

E D

'AC

CE

LE

RA

TIO

N

(KG

)

RAPPORT 1

RAPPORT 2

RAPPORT 3

RAPPORT 4

RAPPORT 5

RAPPORT 6

Figure 3-8, Force dacclration dune moto GSX1000 2005

3.2 PUISSANCE

La notion qui dfinit la puissance peut paratre subtile, mais elle demeure le meilleur outil pour comparer deux moteurs. La notion de puissance rside dans la capacit quun moteur a gnrer un couple en alliant la notion de vitesse. En effet, la capacit de produire un couple ne demande pas de mouvement, il faut sentendre quavec une voiture, ce qui est souhait est justement dobtenir un mouvement. Lorsque vous serrez un boulon avec une cl, 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 dfinition ultime pour dfinir la capacit produire du mouvement. Pour un moteur, la puissance est directement fonction du couple et de la vitesse de celui-ci. couple gal, un moteur tournant un rgime deux fois suprieur produira une puissance deux fois suprieure.


La puissance sexprime communment en HP, mais aussi en Watt. Comme toujours, pour confondre, il y a le HP imprial, et le HP mtrique (rarement utilis). Ici bas, vous trouverez quelques formules pour calculer la puissance, et portez attention au fait quil 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 dun moteur H22A lgrement prpar. Il est intressant de voir que les deux courbes (couple et puissance) flchissent de faon semblable en fonction des rgimes 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 ide plus prcise du travail fait sur le moteur. Faire le calcul donne le potentiel de modification quon peut faire sur un moteur. On retrouve des moteurs de srie procurant des Plm de beaucoup infrieurs 15 HP (moteur sans suralimentation). La configuration de certains moteurs ne permettra pas de se rendre ce niveau de rendement mme avec des modifications. Pour les moteurs 2 soupapes atmosphriques, bien souvent, la limite peut tre denviron 13 HP / litre / 1000 rpm. La limite de puissance quun moteur peut obtenir est fonction de sa configuration, de sa cylindre et du rgime moteur. Lexprience montre toutefois que pour un moteur atmosphrique, la puissance maximale est aux alentours de 15 HP / litre / 1000 rpm (dfini ici comme tant Plm) au rgime o la puissance maximale est atteinte. Voici quelques exemples :

- Moteur de 1 litre, tournant 12 000 rpm peut procurer 180 HP (moteur de moto) - Moteur de 3 litres, tournant 18 000 rpm peut procurer 810 HP (moteur de Formule Un) - Moteur de la Figure 3-1, 2.157 litres, puissance maximale 7 000 rpm, et considrant une perte de 15 %

dans la bote 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)

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000

RPM

HP

/ lit

re / 1

00

0 r

pm

H22A

ROVER V8 4.6 L

GSX1000

Figure 3-9, Courbe de la puissance par litre par 1000 rpm pour 3 moteurs

Il est tout fait possible datteindre un Plm plus lev aux rgimes intermdiaires. 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 un rgime bien suprieur. La courbe du moteur Honda H22A est trs constante. Dans ce dernier cas, lorsquon interprte la courbe, il est fort probable que des


modifications pourraient tre faites afin daugmenter la puissance des rgimes intermdiaires. Le cas du moteur Rover dcrit ici est bien diffrent, la Plm est maximal un rgime assez bas et devient en chute libre mesure que le rgime augmente. Il est clair que ce moteur dmontre de la difficult respirer haut rgime. En rsum, les mthodes pour augmenter la puissance dun moteur rsident trouver le moyen daller chercher le maximum de puissance spcifique par 1000 rpm et de jouer sur le rgime maximum. Les systmes dadmission forcs tels que les turbo et les compresseurs volumtriques tentent essentiellement de pousser le Plm de 15 HP / litre / 1000 rpm plus loin, ladmission force augmente artificiellement la cylindre dun moteur. Un moteur de 2 litres fonctionnant avec une pression de turbo de 1 bar (pression atmosphrique) aura donc la possibilit de remplir le moteur en air frais dun volume de 1 bar naturellement, puis de 1 bar par la pression du turbo. De ce fait, le moteur se rapprochera dun moteur de 4 litres. De nos jours, certains moteurs arrivent dj avec des puissances spcifiques par 1000 rpm trs levs dusine, comme le moteur de la Lotus lise 190 HP pour un moteur de 1.8 litre, un rgime 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 dj prs 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 esprez avoir un gain de 50 HP, il est clair que les seules possibilits seront soit de faire tourner le moteur beaucoup plus rapidement, ou dinstaller un systme dadmission force. En gnral, il est plus difficile daugmenter le rgime maximal dun moteur que dinstaller un systme dadm ission forc. Ceci explique dailleurs pourquoi les systmes dadmission forcs sont si populaires. Augmenter le rgime moteur devient rapidement une course contre le poids des pices mobiles, et aussi une course la rduction de la friction.

Figure 3-10, Variation de lacclration en fonction de la vitesse et de la puissance

Augmenter la cylindre dun moteur en augmentant la course ne devrait pas thoriquement augmenter la puissance dun moteur, car le rgime maximal devrait thoriquement diminuer. Tout dabord, si lon augmente la course de 10 %, on pourrait tre tent de penser que la puissance augmentera de 10 %. La ralit est entre la thorie qui veut que la puissance naugmente pas, et lautre approche optimiste qui laisse entendre que la puissance est directement lie la cylindre. Avec une course plus longue, le moteur aura donc plus de friction au rgime maximal, mais lavantage de cylindre demeure. Le gain sera fonction du moteur, et de son comportement dorigine. Dautre part, ce nest pas cause quun moteur a une course courte quil sera en mesure de tourner rapidement. Prenons un exemple que jai vcu, un moteur de Triumph GT6 (oui je sais, cest un drle dexemple qui ne vous dit probablement pas grand-chose) de 2 litres et ayant tout de mme 6 cylindres. La course de ce moteur est relativement courte (76 mm), on pourrait penser quil est possible de le faire tourner fond. Pour faire augmenter le


rgime, il faut retravailler beaucoup dlments, en passant par larbre cames, le rapport volumtrique, la culasse, le systme dchappement. Et aprs avoir fait bien des modifications, le moteur peinait atteindre des rgimes de 7 500 rpm. La fiabilit devenait relative au niveau des paliers de bielle. Avec ce type de moteur, et tenant compte des pices disponibles, il devient vraiment difficile dobtenir des chevaux par le rgime moteur, de ce fait, la dcision fut prise dallonger la course du moteur 95 mm. Le moteur tournait facilement 6 500 rpm, mais dmontrait un dynamiste assez surprenant avec un bon 220 HP dans une auto qui somme toute est rellement plus petite et lgre que toutes les voitures de catgories sous-compacte actuelles.

Figure 3-11, Amlioration de lacclration avec un gain de 18% de

puissance (voir Figure 3-10) Lorsque lon augmente la puissance par exemple de 20%, on peut sattendre une acclration plus rapide de 20% nest-ce pas? Dans les faits, on naura pas autant de gain au dpart car il y de linertie au niveau du moteur, mais lamlioration sera notable. Mais haute vitesse, laugmentation devient encore plus notable cause de la puissance qui est consomm pour vaincre la rsistance arodynamique. Ainsi, si la voiture demande davoir 100 HP pour rouler la vitesse de 160 km/h et que la voiture a 100 HP, il nen reste plus pour acclrer. Le fait daugmenter la puissance de 20 HP change compltement la donne en laissant maintenant 20 HP pour acclrer. Lorsque lon augmente la puissance, cest haute vitesse que la diffrence devient la plus notable. Les Figure 3-10 et Figure 3-11 montrent leffet de lajout de 50 HP sur un moteur qui en possde dj 275 HP (aux roues), soit 18%, en tenant compte de la rsistance arodynamique. On remarque 200 km/h le gain passe de 18% 35%. Cela explique pourquoi les voitures trs puissantes prennent beaucoup de distance mme si leur rapport poids/puissance peut ne pas tre si favorable.

3.3 FIABILIT

Dans le monde des moteurs modifis, il est beaucoup plus simple dobtenir un moteur puissant quun moteur fiable. Linvestissement mis dans la puissance dun moteur peut devenir trs phmre. Tout au long de ce manuel, il en sera question. videmment, la dfinition dun moteur fiable est sujette interprtation. Je me souviens dun moteur que je roulais et qui dans sa premire configuration de 320 HP pour un moteur de 1.8 litre procuraient une vie denviron 8 heures plein rgime. (Une usure des cylindres se produisait). Une vie bien courte me direz-vous? Sur route, le moteur naurait pas eu de problme avant une trs longue priode. Sur piste dacclration, le moteur aurait pu fonctionner des annes. Sur circuit routier, cette vie se limitait une fin de semaine.

3.4 COURSE DACCLRATION

Je vais me permettre dtre honnte, je nai pas dexprience particulire dans la prparation de moteur pour ce type de course. Toutefois, il est clair que la prparation de ce type dengin demande une expertise spcifique. Notons que gnralement, les moteurs sont construits pour avoir un maximum de puissance lintrieur de paramtres de fiabilit moins critiques que pour les vnements de circuits routiers. On retrouve souvent un systme de refroidissement du moteur minimal tout autant pour le liquide de refroidissement que pour lhuile. Certaines solutions assez inusites sont parfois employes, 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 dtanchit de ces derniers.


Les moteurs sont construits essentiellement afin de rsister des charges importantes avec des chocs intenses. On retrouve parfois des paliers de vilebrequin utilisant des roulements rouleaux au lieu de coussinet lhuile. En effet, les roulements rouleaux permettent de prendre une plus grande charge, mais la vie est toutefois toujours limite, alors que les coussinets permettent une vie infinie, lorsquutiliss lintrieur de leur capacit. On retrouve souvent des volants assez lourds afin daccumuler un maximum dnergie pour augmenter lacclration dans les premiers mtres.

Figure 3-12, Voiture de Rudolphe Nadeau, 6,43 secondes sur le quart de mile

(Photo courtoisie de Christian Paquet -- [email protected]) Llectronique autour du moteur est conue pour aider le pilote faciliter le dpart de la ligne, de limiter au minimum les temps de raction et les erreurs du pilote. Du ct transmission, il est souvent prconis davoir une transmission automatique avec peu de rapport et un rglage agressif pour le passage des rapports. Que ce soit avec une transmission automatique ou manuelle, cest la discipline qui gagne le plus programmer des changements de rapport des rgimes optimaux. On retrouve gnralement des diffrentiels autobloquants favorisant un passage de puissance au sol optimal, consistant souvent en des systmes trs simples.

3.5 COURSE DE CIRCUIT ROUTIER AUTOMOBILE

La prparation de moteur pour circuit routier demande un effort de compromis entre la puissance et la fiabilit. On peut comprendre quel point la Formule Un est devenue un exercice incroyable dingniosit en couplant des puissances colossales dans un environnement de relative endurance. Chaque fin de courbe devient une piste dacclration.

Figure 3-13, Lotus Europa de Sylvain Julien

Beaucoup deffort doit tre mis sur les systmes de refroidissement. La gestion de lhuile contenue lintrieur du carter peut devenir un enjeu important pour la survie du moteur. Il est facile de devenir paranoaque et dacheter tous les kits sur le march, ncessaire ou non. La conception du moteur est intimement lie la transmission, le moteur doit fournir la puissance dans des conditions dutilisation trs variables. Une transmission avec des rapports trs rapprochs permet de dvelopper un moteur pointu avec un maximum de puissance. Un tagement de bote plus espac demande un moteur plus linaire. Le moteur gagne aussi pouvoir relcher sa puissance de faon progressive avec un temps de rponse minimal en sortie de virage. En effet, lorsque la voiture est la limite dadhrence, une raction vive du moteur demande plus de contrle du pilote.


Le moteur gagnera avoir de la rallonge bien au-del du rgime o la puissance maximale est atteinte. Ainsi, un moteur dont la puissance est maximale 8000 rpm par exemple gagnera pouvoir tourner plus de 9000 rpm afin de limiter les changements de rapports des endroits stratgiques sur circuit. Le moteur tant constamment sollicit, la fatigue des composantes est mise partie, sil y a un risque que a brise, prenez pour acquis que a va arriver. Cest donc la discipline o on retrouve les moteurs avec le moins de puissance par rapport aux autres disciplines. Enfin, la bote de vitesse est mise rude preuve. On retrouve parfois des diffrentiels autobloquants, mais cela entrainera presque toujours un certain effet sur le comportement routier de la voiture, dsir ou nfaste, nous sommes ici sur un terrain de compromis.

3.6 COURSE DE CIRCUIT ROUTIER MOTO

Un peu la manire de la prparation de moteurs automobiles pour le circuit routier, la prparation dun moteur de moto demande un compromis entre la puissance et la fiabilit. Nanmoins, il y a des nuances qui sont assez importantes. Premirement, un moteur de moto est beaucoup moins sollicit quun moteur automobile. En effet, sur un tour de piste, le pourcentage du temps o lacclrateur est fond est beaucoup plus faible. Les sorties de virage demandent beaucoup plus de raffinement, le temps en courbe est plus long, et finalement, lacclration basse vitesse (qui peut tre 160 km/h) et le freinage est limit par le centre de gravit lev de la moto. Une autre nuance importante est que dans certaines classes de comptition, la puissance est littralement limite. Il devient rapidement vident que la prparation du moteur ne se limite pas extraire un maximum de puissance, mais dobtenir la puissance maximale sur une bande de rgime plus large. Certains problmes nexistent pas tels que le problme de nivellement dessence et dhuile, qui sont somme toute toujours assez constants pour les lignes droites ainsi que les virages. Ce problme dhuile se limite aux cas o la moto roule avec un angle important sur la roue avant ou arrire. Enfin, les moteurs de moto sont extrmement bien conus, le march des pices de remplacement est somme toute assez limit. La technique de conduite prend une plus grande part sur les performances au tour que le cas dune voiture.

3.7 COURSE DE DRIFT

La course de drift demande une conception hybride entre le moteur de course dacclration et celui de circuit routier. On retrouve des moteurs trs puissants et relativement solides. Toutefois, les pilotes nutilisent pas en permanence la puissance disponible, mais elle doit tre disponible pour quelques secondes dans certaines conditions. On retrouve donc des systmes de refroidissement favorisant le refroidissement de lchangeur air-air du systme dadmission forc au refroidissement du moteur. Le soin apport au flux dair au radiateur est relativement minimal. Au niveau des composantes de transmission, cest probablement la discipline la moins svre pour cette composante. La course dacclration cre des stress extrmement imposants au moment du dpart. La course en circuit routier sollicite grandement les mcanismes de passage des rapports. Ici, en course de drift, les passages des rapports sont peu nombreux, les stress lis au dpart sont plutt limits grce lutilisation de pneus somme toute assez peu adhrents par rapport aux autres disciplines. Avouons ensemble que le spectacle de ces engins est quelques choses de trs impressionnant!

3.8 COURSE DE RALLYE

Sur plusieurs points, le moteur de rallye doit tre conu comme le moteur de circuit routier. Le moteur gagne nanmoins avoir une plage de puissance plus tage, et pardonne un peu plus les effets dun moteur dlivrant sa puissance dune faon un peu brusque. Ici, nous sommes au royaume du moteur turbo.


4 QUELQUES AUTRES NOTIONS DE BASE

Ce chapitre est le plus thorique du manuel. Jai volontairement assembl une somme dinformations et de thories utiles pour mieux comprendre le contenu du manuel. Ce choix permet dallger les autres chapitres en limitant les explications thoriques. Vous avez le choix de lire attentivement cette section quitte vous endormir dennui, ou bien en faire un survol, puis y revenir au besoin lors de la lecture du manuel. Je sais que certains trouveront beaucoup trop thorique cette section, tentez donc de laborder dune faon positive.

4.1 MASSE, FORCE ET MOMENT

Pour parler de force, il faut dabord faire la distinction entre une masse et une force. La masse dun objet est constante que nous soyons sur la Terre ou dans lespace. Cest en quelque sorte la quantit de matire. 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 systmes dquations relevant de la relativit dEinstein, et devient pertinent des vitesses se rapprochant de la vitesse de la lumire. Retenez donc quelle est constante. La masse sexprime en kilogramme dans le systme mtrique, puis en slug dans le systme imprial. Cependant, lunit slug est trs rarement utilise. Une force peut tre reprsente comme leffort requis pour retenir une masse dans un systme de gravitation tel que celui de la Terre. La force sexprime en Newton dans le systme mtrique et en livre-force dans le systme imprial. Ainsi, sur Terre, retenir une masse de 1 kg demandera une force de 9.8 Newtons (N), car la Terre entrane vers son centre les objets selon une acclration moyenne de 9.8 m/s

2. Dans le systme imprial, pour retenir une

masse de 1 slug, il faudra 32.2 livre-force. Cest ici que a se complique, car lorsque nous travaillons avec le systme dunit imprial, nous parlons gnralement dune masse de 1 livre par exemple. Il sagit donc dune livre-masse. Dans la vie courante, nous faisons la distinction entre livre-masse et livre-force afin de sassurer que nous ayons une comprhension commune. Alors, si nous poussons une voiture dune 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 particulire pour ne pas crer de confusion. tes-vous assez confus? Labrviation de la livre est lb, et nous provient du mot latin libra. Il faut voir une force comme un vecteur qui possde une grandeur et une direction. Si je pousse une voiture, je dois pousser 134 N dans le sens du dplacement de lauto. Si je pousse mal selon une direction de 30 degrs par rapport au sol, il faudra une force de 155 N, soit 134 N dans le sens du dplacement de lauto, puis 77.5 N vers le sol. Nous pouvons voir que 134 plus 77.5 gales 211.5 N, puis que cette somme nest pas gale la force de 155 N. Ceci est normal, les forces de 134 et 77.5 N sont issue dune dcomposition vectorielle, respectant dans ce cas les notions du triangle de Pythagore. Un moment est lquivalent du couple, mais le terme moment reprsente une notion plus gnrale. Le moment est le fruit dune force applique multiplie par une distance. Si nous prenons une cl dynamomtrique, que cette cl a une longueur de 50 cm, que nous appliquons une force de 100 N en prenant soin que cette force soit oriente 90 degrs de loutil, nous obtenons alors un moment de 100 N x 50 cm = 5 000 N cm = 50 N m. En dfinitive, un moment est le produit dune force et dune distance normale par rapport un point. Sur les cls dynamomtriques, nous retrouvons plusieurs units, soit : N m ou kg m; lb ft ou lb in.

4.2 INERTIE

Le concept dinertie est relativement abstrait. On peut rsumer que linertie reprsente la capacit dun objet vouloir demeurer ltat dorigine de rfrence. Ainsi, linertie fera en sorte quun effort devra tre fourni afin de prendre un objet initialement immobile puis de lui donner du mouvement. linverse, un effort devra tre fourni afin de prendre un objet en mouvement puis de lamener ltat immobile. Le calcul de linertie dun objet rside faire par exemple lvaluation de sa masse en tenant compte aussi de lemplacement de la matire. Prenons lexemple dun volant (flywheel) dun moteur. Une des fonctions de cette pice est daccumuler de lnergie afin de faciliter la mise en mouvement dun vhicule larrt. Si nous prenons 2 volants ayant une masse quivalente, il est fort parier que leurs inerties seront toutefois diffrentes. Dorigine, nous verrons souvent des volants dorigine dont la masse est concentre principalement vers le contour afin de procurer un maximum dinertie pour un minimum de poids.


Prenons un autre exemple, soit celui de deux vhicules de masses quivalentes, mais dont larchitecture est trs diffrente, tous les deux avec une distribution de masse de 50%/50% avant/arrire. Imaginons que le premier vhicule possde un moteur lavant alors que la transmission ainsi que les composantes lourdes comme la batterie se situe sur le train arrire. Nous pouvons retrouver ce type de configuration sur des berlines comme certaines BMW. Maintenant, imaginons que le deuxime vhicule possde une configuration avec moteur en position centrale comme nous retrouvons sur certaines Ferrari. Nous pouvons prdire avec certitude que la Ferrari dans ce cas aura une inertie plus faible que la BMW. Au-del des masses, leurs localisations ont un impact non ngligeable. La diffrence se fera sentir lorsque la voiture dcrochera. Une voiture avec moins dinertie risque toutefois dtre plus facile faire dcrocher au moindre mouvement brusque du volant. En contrepartie, conduire cette voiture en dcrochage peut tre plus facile car elle sera plus facile ramener. Cest pourquoi les voitures moteur central ont la rputation dtre impitoyable, le volant doit tre manipul avec soin. Dans un autre ordre dide, une roue peut tre compare 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 dune motocyclette, le fait daborder un virage demande dans un premier temps de changer la direction de la roue. Le fait de virer droite demande de tourner la roue vers la gauche afin de dstabiliser la moto et la faire tomber du bon ct. Cest ce que lon appelle le contre-braquage. Ensuite, la roue doit se dplacer dans lespace et sincliner. Ainsi, il est important de concevoir une moto avec les roues les plus lgres possible afin de diminuer au maximum cet effet dinertie que nous percevons dans le guidon. En contrepartie, des roues lgres rendent la moto moins stable basse vitesse. Si vous imaginez rouler par exemple 200 km/h pendant 1 heure en ligne droite, le fait darriver une vitesse de 50 km/h pourrait donner limpression que la moto est difficile tenir en quilibre. En soi, cest leffet gyroscopique des roues qui permet un vhicule deux roues dtre maintenu facilement en quilibre.

4.3 PRESSION

La pression est reprsente par une force applique sur une surface. Si nous prenons une voiture de 1 000 kg et que les pneus sont gonfls 30 psi (psi est le diminutif de pound per square inch, soit livre par pouce carr), 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 carrs, soit une surface de 10 pouces par 7.33 pouces. Lair que nous respirons est sous-pression. Cette pression est le fruit de la pression gnre par laccumulation en hauteur de lair au-dessus de notre tte. La pression de lair moyen est de 101.3 kPa, soit de 14.7 psi au niveau du sol. On dit aussi que cette pression correspond 1 bar.

4.4 RSISTANCE DES MATRIAUX

La science de la rsistance des matriaux est vaste et la fois dune ralit trs concrte. Bien entendu, ltude de la rsistance des matriaux dpasse le niveau de ce manuel. Nanmoins, certains concepts de base doivent tre expliqus afin de sassurer que nous ayons une vision commune. Dans ce manuel nous utiliserons certains termes emprunts cette science. Les termes les plus courants sont : Contrainte : Une contrainte reprsente leffort auquel est soumis un matriau. Cet effort est en fait une pression, mais ici nous parlons de pression trs importante de lordre de 200 MPa (30 000 psi) plus de 1 700 MPa (250 000 psi). Cette explication est simpliste mais reprsente bien cette ralit. Le mot contrainte est toutefois mieux indiqu, nous pouvons parler dune contrainte en compression et en traction. Chaque matriau possde ses propres caractristiques, laluminium aura en gnral une capacit plus faible que lacier par exemple. Laluminium possde bien souvent des proprits intressantes ltat trait, toutefois, les oprations de soudure creront une perte importante des capacits mcaniques. Traction : On dit quune pice est en traction lorsque leffet de la charge tend tirer sur la pice pour lallonger, on parle ainsi de contrainte de traction. Compression : On dit quune pice est en compression lorsque leffet de la charge tend pousser sur la pice pour la raccourcir, on parle ainsi de contrainte de compression. . Flexion : La flexion peut tre reprsente par une rgle que lon force flchir. Dans ce cas, la dformation entrane une contrainte en compression sur une surface alors que sur la face oppose on retrouve une contrainte de traction. Quelque part dans la pice, il y a ce que lon appelle un axe neutre o les contraintes en flexion sont nulles. Si la pice est symtrique, laxe neutre se retrouvera au centre de la pice. La Figure 4-1 prsente une image simplifie du phnomne de flexion. La figure de droite ne prsente pas la ralit, en pratique, le rayon de courbure varie constamment le long de llment. Dans cet exemple, les contraintes seront maximales lendroit le plus


loign de la force et nulle (si lon omet le cisaillement) au point o la force est applique. Noter que la flexion est un des modes de rupture les plus commun.

Figure 4-1, Flexion

Cisaillement : Le cisaillement reprsente leffort qui tente de dchirer le matriel comme lon retrouve dans un arbre dentranement. Cet effort est cr par une torsion dans le matriel. La Figure 4-2 prsente un lment soumis une contrainte pure de cisaillement cre par un effort de torsion. Cest le mme phnomne que lon retrouve dans une barre antiroulis. Il faut nanmoins voir que dans le cas de la Figure 4-1 on retrouve aussi un effort de cisaillement. En effet, la force pousse sur llment crant sa dformation en flexion, toutefois, llment voit un effort tentant de dchirer llment vers le bas sur toute sa longueur. Noter que la capacit dun matriau en cisaillement est nettement plus faible que la capacit en traction.

Figure 4-2, Cisaillement

lasticit : Llasticit reprsente la dformation dun matriau face une certaine contrainte. Il y a beaucoup de fausse perception concernant cette notion. Par exemple, tous les aciers possdent une lasticit similaire tout au long de leur dformation lastique. Cependant, pass une certaine limite, le matriau dbute sa phase o il dbute sa dformation plastique, c'est--dire que la charge laisse une dformation permanente aprs avoir enlev la charge. Un acier alli de haute capacit sera apte endurer une contrainte trs importante sans se dformer plastiquement (dformation permanente), toutefois, son coefficient dlasticit est le mme quun acier de faible qualit. Il y a deux types dlasticits, soit celle en traction/compression (normalement surnomm E), puis la rigidit en torsion (normalement surnomm G). Le coefficient dlasticit reprsente la rigidit du matriau. Une fiche de spcification complte dun matriau inclut beaucoup plus dinformation que ce qui est cit ci-haut. Nous pouvons parler de la sensibilit la fatigue, de sa masse, de la chaleur spcifique, du coefficient de dilatation thermique, etc. Laluminium est 3 fois plus flexible que lacier alors que son poids est lui aussi 3 fois plus lger. Alors quel gain avoir un chssis en aluminium sur une moto? Premirement, les composantes doivent avoir une paisseur minimale pour tre fabriques et manipules. Dans un deuxime temps, et ici, cest un peu compliqu, au-del du matriel, un aspect trs important est sa disposition dans lespace. On appelle cela linertie de surface. Le fait despacer deux masses entrane systmatiquement un accroissement de la rigidit (ce qui est positif) et des contraintes (ce qui est ngatif). Dans un troisime temps, laluminium est un matriau formidable par sa facilit de mise en forme. On peut le forger, le couler et encore plus intressant, lextruder. Un cadre de moto est fabriqu de plusieurs pices faites selon diffrents procds selon le besoin. Le titane est 2 fois plus lger et flexible que lacier alors que ses performances mcaniques sont voisines aux aciers lgrement tremps.


4.5 COEFFICIENT DE FRICTION

Dfinissons dabord le terme friction. La friction est en fait la rsistance au glissement. Si nous pressons une main contre lautre, plus cette pression sera forte et plus il nous sera difficile de faire glisser une main sur lautre. Le coefficient de friction quantifie la friction de faon indpendante la pression qui est applique. Pour la mme pression entre nos deux mains, nous savons tous que si lon met de lhuile sur nos mains, la friction sera plus faible. Nous pouvons donc dire que lorsque nous avons de lhuile sur les mains, le coefficient de friction est plus faible que lorsque nos mains en sont dpourvues.

Le symbole du coefficient de friction employ dans la littrature est gnralement . Par dfinition :

F

Ff

Figure 4-3, Friction

Dans le cas de la Figure 4-3, la variable F pourrait tre dfinie comme tant le poids du bloc et Ff comme tant la force ncessaire pour vaincre la friction. Il faut maintenant distinguer le coefficient de friction statique de celui dynamique. Un coefficient de friction statique sous-entend quil ny 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 la friction statique. Lorsquil y a du mouvement, il faut parler de friction dynamique. Lorsque nous freinons avec notre voiture, les plaquettes de frein glissent sur le disque, cest donc une friction dynamique. Toutefois, lorsque nous arrivons bloquer les roues, la friction devient statique. Gnralement, le coefficient de friction statique est plus lev que celui dynamique. Allons maintenant un peu plus loin. La friction est dtermine par la propension quont deux surfaces crer des liens. Cette capacit est gnralement indpendante la superficie en contact. Pour le cas des freins dune auto, si nous appliquons une mme force sur une plaquette deux fois plus grande quune autre, la friction (Ff) sera la mme. Il ny aura pas de gain de friction avec une surface plus grande. Gnralement, les coefficients de friction pour les freins varie entre 0.1 et 0.8. Cependant, les pneus se comportent dune faon hybride, c'est--dire que le coefficient de friction est relativement constant peu importe la surface, mais quune surface plus grande favorisera toujours un accroissement de friction, ou en dautres termes, des pneus plus larges procure plus dadhrence. Le pneu agit ainsi un peu la faon dune colle. Dans le cas dune colle, celle-ci pour supporter une charge sans mme avoir une force F . Une gomme tendre a naturellement une plus grande aptitude se comporter comme de la colle alors quun pneu caoutchouc dure se comportera davantage avec un coefficient constant indpendant de la surface en contact. Lorsque le pneu roule normalement sur le pav, le fait que le caoutchouc ne soit pas en glissement fait que le contact est en fait de type statique.

4.6 QUELQUES QUATIONS UTILES

Il y a certaines quations qui sont trs utiles lorsque lon parle de performance, dont les suivantes : F = m a Vf = a t + Vi


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 Df = a t

2 / 2 + Vi t + Di

a

2Dft

si Vi et Di = 0

a = Df x 2 / t2 si Vi et Di = 0

O : F = Force en Newton m = masse en Kg a = acclration en m/s

2

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 dapplication : Une voiture de course dacclration parcourt une distance de 402.3 m en un temps de 6 secondes. Avec ces donnes, il est possible de calculer lacclration moyenne sur toute la distance partir de lquation a = Df x 2 / t2 :

a = Df x 2 / t

2

= 402.3 m x 2 / 6

2

= 22.35 m/s2

Soit 22.35 / 9.81 = 2.28 G Soyons clair, une acclration de 2.28 G demande un coefficient de friction entre le pneu et le pav de 2.28 si tout le poids de lauto sest dplac sur les roues motrices. De plus, cette acclration est une moyenne, cela dit, la pointe dacclration sur les premiers 100 m est suprieur. Incroyable


5 RAPPORT DE COMPRESSION

Le rapport de compression dun moteur est trs important. En effet, il influence le rendement thermique du moteur. Le rendement peut tre dfini comme lnergie sortant du moteur par rapport lnergie entrante. Lnergie entrante est lessence tout simplement. Lnergie sortante peut tre reprsente par la puissance du moteur sur une priode de temps. Dans le systme mtrique, la puissance est dtermine par lunit de Watt qui a son quivalent dans les HP avec une rgle simple de conversion des units. Lnergie est quant elle dtermine par les Joules (J). On reparlera de ces Joules dans la section allumage du manuel. Lorsquon fournit une puissance de 1 Watt sur une priode dune seconde, nous avons fourni une nergie de 1 Joule. Par dfinition, 1 Watt quivaut 1 Joule par seconde. Mais revenons au rendement du moteur. Le taux de compression influence le rendement thermique. Comme nous lavons vu prcdemment, le moteur 4 temps allumage par bougie est reprsent par le cycle thorique dOtto. La Figure 5-1 donne la courbe du rendement thermique. La courbe donne clairement le potentiel de laugmentation du rendement dun moteur mesure que le rapport de compression augmente. videmment, il faut prendre cela avec des pincettes, ces valeurs sont thoriques, et au mieux, le rendement dun moteur natteint gure 35 % (au mieux, dans la zone dutilisation optimale) alors que le graphique suppose quavec un rapport de compression de 11 :1, le rendement serait de 62 %, nous sommes loin du compte. Ce qui peut tre par contre trs intressant est de voir leffet sur la puissance si nous augmentons le rapport volumtrique dun moteur. Prenons un moteur de 100 HP, ayant un rapport volumtrique de 9 :1 (rendement de 58.5 %), et augmentons le rapport volumtrique 11 :1 (rendement de 61.7 %), nous pourrions esprer 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 thoriques.

Rendement thermique thorique versus rapport de compression

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Taux de compression (R)

Re

nd

em

en

t th

erm

iqu

e (

Et)

Figure 5-1, Rendement thermique thorique du cycle dOtto

Ce qui est trs clair est que les manufacturiers tentent daugmenter le rapport volumtrique de leurs moteurs pour en augmenter les performances et aussi rduire la consommation dessence. Thoriquement, cela semble facile daugmenter le rapport de compression, mais en pratique cela devient un peu plus complexe. Cette difficult est cause par le fait que la temprature du mlange contenu dans le cylindre augmente. Le mlange peut tout simplement sauto-enflammer. En effet, lors du phnomne dauto-allumage, le mlange senflamme par lui-mme alors que le piston nest pas encore au point mort haut, causant un cliquetis. Par consquent, le taux de compression maximal est dtermin par le fait que la dtonation est viter. En pratique, le mlange peut tout de mme senflammer laide de la bougie, mais la propagation de lexplosion se fera trop rapidement causant le mme effet. Pour attnuer le potentiel dauto-allumage, plusieurs solutions sont disponibles :

- Utilisation dessence indice doctane plus lev; - Rduction des points chauds dans la chambre de combustion; - Rduction de lavance de lallumage; - Utilisation de bougie plus froide; - Rduction de la temprature de lair entrant dans le moteur;


- Diminution du rapport volumtrique - Augmentation de la dure des arbres cames; - Modification du calage des arbres cames.

Ces points seront discuts tout au long de ce manuel dans diffrentes sections. Nous avons abord le rapport de compression sans vraiment le dfinir prcisment. Cest trs simple, lorsque la soupape dadmission est ouverte, lair la pression atmosphrique vient emplir lespace qui inclut le volume de la chambre de combustion et du volume du cylindre. Lorsque la compression est acheve et que le piston est au point mort haut, tout le volume est concentr dans la chambre de compression. Le rapport entre ces deux volumes donne le rapport volumtrique. Dfinissons que : Vc = Volume de la chambre de combustion Vmc = Volume du cylindre Le rapport volumtrique est : R = (Vc + Vmc) / Vc Lorsquon dsire augmenter le rapport volumtrique sur un moteur, il faut diminuer le Vc. De lquation prcdente, on peut isoler Vc : Vc = Vmc / (R 1) Prenons un moteur 4 cylindres dont la cylindre du moteur est de 2 litres, soit 2 000 cc, avec un rapport volumtrique de 10 :1, et quon dsire augmenter le rapport 11 :1. Calculons dabord le Vc du moteur avant modification : Vc = Vmc / (R 1) = (2 000 / 4) / ( 10 1) = 55.6 cc. Calculons maintenant le Vc du moteur aprs modification : Vc = Vmc / (R 1) = (2 000 / 4) / ( 11 1) = 50.0 cc. Afin daugmenter le rapport volumtrique de 10 11 :1, il est ncessaire de rduire Vc de 55.6 50.0 cc = 5.6 cc. Pour rduire le Vc, il y a quelques solutions possibles, soit :

- Installer des pistons avec un dme plus prononc; - Rduire le volume de la chambre de combustion dans la culasse; - Rduire la hauteur du bloc; - Diminuer lpaisseur du joint de culasse; - Allonger les bielles.

De ces solutions, toutes ne sont pas viables conomiquement, ou entranent des problmes dintgration des composantes. Lexprience la plus radicale que jai faite alors que jtais fauch a t dusiner le dessus des pistons pour les mettre plats alors quils taient concaves, de couper les cylindres afin que le dessus des pistons arrive au sommet des cylindres, puis finalement dusiner les culasses afin de rduire le volume des chambres de combustion. Le rapport volumtrique de dpart tait de 8 :1, et le rsultat tait de 11 :1. En pratique, si vous mesurez le rapport volumtrique, vous pourrez noter que votre mesure ne correspond pas la valeur des donnes techniques de votre moteur. Je ne parierais pas sur cela, mais jusqu maintenant, toutes les mesures que jai prises ont toujours t plus basses que les valeurs des donnes techniques. Je nai videmment pas une exprience concrte sur des tas de moteurs, mais je dirais que jen ai mesur 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 diffrence de ratio sexplique par le potentiel daccumulation de carbone sur les pistons, et mes mesures ont toujours laiss croire que les manufacturiers se donnaient une marge de .5 1 mm daccumulation de carbone qui a leffet de rduire le volume de la chambre de combustion.


5.1 MESURE DU RAPPORT DE COMPRESSION

En raison du fait que je ne fais pas confiance aux donnes techniques des moteurs, je mesure gnralement le rapport de compression des moteurs que je prpare. La mthode est simple, et demande peu de matriel. Le matriel requis se limite aux pices du moteur, un plastique transparent, de leau, et une seringue. Idalement, la seringue serait de bonne qualit, et ayant une capacit de 50 ml. Soit dit en passant, 50 ml gale 50 cc. Trouver la seringue demande toutefois un peu de recherche, normalement, je demande directement au pharmacien, et la raction est toujours peu prs la mme, pourquoi si grosse? , avez-vous un problme de consommation de drogue? et jen passe. Cest somme toute assez comique. Reprenons la formule : R = (Vc + Vmc) / Vc Nous connaissons Vmc, la cylindre par cylindre. Il faut donc trouver Vc : Vc = Vt + Vpc + Vj O : 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 faon de mesurer chacun des volumes. Une fois que vous avez le rapport de compression mesur, vous devez vous demander ce que vous dsirez obtenir. Ce nest pas toujours simple de savoir ce quon peut faire.

5.1.1 MESURER Vt

La Figure 5-2 montre une chambre de combustion recouverte dun plastique transparent dans lequel un petit trou a t fait. Afin dviter les fuites deau, je mets un peu de graisse entre le plastique puis la culasse. En appuyant sur le contour de plastique, il faut injecter de leau laide de la seringue. Le volume deau insr dans la chambre est le volume Vt recherch. Normalement, un moteur prpar devrait avoir le mme volume pour chaque cylindre, et si certaines chambres ont un volume plus faible, il faut leur enlever du matriel afin dobtenir le volume de la plus grande chambre.

Figure 5-2, Mesure de Vt

5.1.2 MESURER Vpc

Performance 4 Temps

Documents

Transcript of Performance 4 Temps