La préparation des moteurs à 4 temps marathon shell 2003/2004
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La préparation des moteurs à 4 temps MARATHON SHELL 2003/2004 SOMMAIRE INTRODUCTION 2 1 _ LE MOTEUR A 4 TEMPS 2
2 _ AUGMENTER LA CYLINDREE 5
3 _ AUGMENTER LE REGIME 6
4 _ AUGMENTER LA PME 8 4.1 Le remplissage 8
4.2 Augmenter le rapport volumétrique 10 4.3 La combustion 11 CONCLUSION 12 INTRODUCTION Préparer un moteur doit se faire dans les règles de l’art et nécessite beaucoup de minutie et connaissances. Cette étude est destinée à la préparation d’un moteur 4 temps pour la compétition du Marathon Shell. Bien que le moteur HONDA GX31 que nous utiliserons soit issue d’une technologie récente, les possibilités sont diverses et nombreuses. Nous les aborderons dans l’objectif d’une baisse de la consommation en carburant. Chapitre 1 : LE MOTEUR A 4 TEMPS Le moteur à combustion est une machine thermique qui transforme l’énergie calorifique, libérée par l’inflammation du combustible, en énergie mécanique (force motrice agissant sur le piston). Son fonctionnement est régi par une quantité de paramètres :
Le but est de trouver le meilleur compris entre ces paramètres. Pour cela, nous commençons par étudier le cycle théorique du moteur à 4 temps. CYCLE THEORIQUE OU CYCLE DE BEAU DE ROCHAS Le déroulement du cycle thermique « fermé » est représenté sous la forme d’un diagramme P,V (pression, volume) traduisant la succession des transformations thermodynamiques d’une certaine masse gazeuse aspiré, pendant les 4 phases du cycle. Le mélange gazeux est composé de 15 volumes d’air pour un volume d’essence. Description des phases du processus :
 CYCLE REEL Contrairement au cycle théorique, il prend en compte : les délais de combustion, les effets de paroi qui influencent les températures, l’inertie des gaz, les échanges de chaleur et la distribution des soupapes (avance à l’ouverture et retard à la fermeture).  AOA : avance à l’ouverture de la soupape d’admission (avant PMH). RFA : retard fermeture soupape d’admission (après PMB). AOE : avance ouverture soupape échappement (avant PMB). RFE : retard fermeture soupape échappement (après PMH). AA : avance à l’allumage. LE RENDEMENT GLOBAL : η Il varie selon le régime et la charge du moteur et il dépend du rendement mécanique ηm et thermique ηth : η = ηm . ηth ainsi que du rapport volumétrique et du taux de remplissage.
C’est le rapport entre l’énergie effective récupérée sur le piston et l’énergie que peut délivrer le combustible. On sait que 60% de l’énergie fournie sous forme de combustible se perdent dans le processus thermodynamique dont près de 40% dans l’échappement. 
Le mécanisme bielle/manivelle transforme la poussée des gaz (due à la combustion) en couple moteur sur le vilebrequin. Les frottements entre les pièces en mouvement, la pompe à huile et à eau engendrent en moyenne 15% de pertes mécaniques d’où ηm = 85%.
C  OUPLE :La force de poussée des gaz qui s’exercent sur le piston lors de l’explosion, engendre par l’intermédiaire de la bielle et du maneton de vilebrequin, un couple moteur qui provoque la rotation du vilebrequin. Ci est maximal lorsque θm (angle du vilebrequin mesuré après le Point Mort Haut PMH) vaut entre 20 et 30° : le taux de remplissage et le rendement de combustion sont optimaux. Le couple moyen se calcule uniquement avec un banc d’essai moteur. Formule : Ci=Fb*d C  i : couple instantané (m.N)Fb : Newton (N) D : mètre (m) PME (Pression Moyenne Effective) : La pression des gaz en phase explosion/détente variant de façon continue, on définit une pression moyenne et constante qui (agissant sur le piston) donnerait un couple moyen durant la phase motrice. Formule : PME = 400.π.C / (n .V) PME : en bar C : couple moteur en m.daN V : volume déplacé (cylindrée unitaire) en cm3 n : nbr de cylindres PUISSANCE DU MOTEUR : Elle représente la puissance développée par l’arbre en sortie moteur. Formules : P = (PME.n.V.N) / 883200 P = (PME.Vp.Sp.n) / 29440 Sp = π.A2 Vp = C’.N / 30000 P = 0,003135 . PME . Vp . n1/3 . Cy2/3 . (A’/C’)2/3 P : en ch N : tour/min Sp : surface du piston en mm2 PME : en bar C’ : course en cm n : nbr de cylindres V : volume déplacé (cylindrée unitaire) en cm3 Vp : vitesse moyenne piston en m/s A : diamètre alésage en mm Cy : cylindrée en m3 A’ : diamètre alésage en cm   Chapitre 2 : AUGMENTER LA CYLINDREE Avant d’entreprendre l’amélioration d’un moteur, on doit prendre connaissances de ces 2 critères :
Les modifications seront complexes et coûteuses pour Ps > 75 ch/l et Cs > 8.5 m.kg/l. A savoir que pour un moteur atmosphérique de 4 cylindres 8 soupapes, on peut atteindre au maximum 120 ch/l et 160ch/l pour un 16 soupapes. Pour augmenter la cylindrée, on doit modifier la cylindrée unitaire V (cm3) : V = π . A2 . C / 4000 A : alésage en mm C : course en mm Donc pour augmenter la cylindrée, il faut agrandir l’alésage et/ou la course du piston. Augmentation de l’alésage La modification de la cylindrée du constructeur est interdite. Ainsi la seule possibilité est d’utiliser des pistons « réparation », le réalésage dépasse rarement 0,5mm au diamètre d’où un faible gain de cylindrée. Formule permettant de calculer l’alésage en fonction de la nouvelle cylindrée unitaire V2 : A2 = 4000 . V2 / (π.C) Ai et C en mm Expression de la variation de cylindrée unitaire V (en cm3) : ΔV = V2 – V1 = π.C / 4000 . (A22 – A12) Ai et C en mm Conséquences de l’accroissement de l’alésage :
Application : Soit un moteur de n cylindres, de cylindrée unitaire V1 en cm3, de rapport volumétrique Rv, d’alésage A (en mm) et de course C (en mm). On augmente le diamètre de X mm : Nouvelle cylindrée en cm3 : Cy2 = n . [π .(A+X)2 . C ] / 4000 Nouvelle cylindrée unitaire en cm3 : V2 = Cy2 / n Volume de la chambre d’explosion v en cm3 : v = V1 / (Rv1 - 1) Nouveau rapport volumétrique Rv2 : Rv2 = (V2 + v) / v Augmentation de la course La seule possibilité est de rectifier le vilebrequin : on augmente l’excentration du maneton afin d’obtenir jusqu’à 4mm de course supplémentaire. Pour le cas d’une voiture, cela entraîne une diminution du diamètre du maneton donc une plus faible résistance sous charge. Il est fortement conseillé d’ajouter une nitruration ionique des portées du vilebrequin. De plus, il est nécessaire d’usiner les contre-poids pour éviter le contact avec les pistons.  Conséquences d’une course plus importante :
Formule de la vitesse moyenne en m/sec : Vmoy = C . N / 30000 C : course en mm N : régime en tr/min
 Remarque : Afin de réduire la consommation de carburant, le rapport R/L doit être inférieur à 0.3 pour réduire les forces d’inertie, les frottements et contraintes mécaniques sur le piston. Pour exemple, si le rapport R/L d’origine vaut 0.39 et après modification il est de 0.23, on diminue les forces de frottements de 75%. Par contre, on aura une baisse du régime (les bielles sont plus longues donc plus lourdes) et du couple moteur (R faible, C=Fb * d). Chapitre 3 : AUGMENTER LE REGIME Le régime moteur dépend directement du piston : celui-ci à une vitesse critique de 20 m/s et une accélération maxi de 35 000 m/s2. Au-delà de ces valeurs, l’utilisation de matériaux de haute qualité est indispensable. Le régime du couple maximal correspond à celui où le taux de remplissage est le meilleur. Une augmentation du régime implique un faible gain de couple et de puissance. Améliorer le remplissage Le taux de remplissage conditionne directement la valeur de la PME (Pression Moyenne Effective) donc le rendement thermodynamique. Nous détaillerons cette partie dans le chapitre suivant. Réduire les masses en mouvement L’énergie cinétique d’une masse vaut en translation M * V2 / 2 (cas du piston et de la soupape) et en rotation J * ω2 / 2 (cas du vilebrequin, volant moteur, pignon de distribution, arbres à cames, etc.). J : moment d’inertie de la masse en rotation. Cela veut dire que plus la masse à entraîner est grande, alors l’énergie à fournir est plus importante. En générale, une réduction des masses de 15% implique une hausse du régime de 10% ce qui élève l’accélération du piston de 20% et les frottements.  L’allégement des pièces provoque la fragilisation du matériau. Ainsi il est fortement conseillé de polir les surfaces et de supprimer les angles vifs afin de limiter les concentrations de contraintes.
Améliorer le mécanisme de commande des soupapes Afin d’optimiser l’ouverture et la fermeture des soupapes, le système optimal comportera le moins de pièces intermédiaires : ainsi l’arbre à cames en tête évite en autres l’utilisation d’une tige de culbuteur, les contraintes élastiques nuisant à la précision de la distribution et favorise les phénomènes de résonance aux hautes fréquences.  Légende : 1) Arbre à cames Latéral (ACL) 2) Arbre à cames en tête (ACT) avec culbuteur 3) Arbre à cames en tête (ACT) sans culbuteur Cas de l’ACL : Contrairement à l’ACT, ce système est souvent sujet aux risques d’affolement des soupapes à haut régime : cela ce produit lorsque les ressorts n’arrivent plus à rappeler suffisamment rapidement la soupape sur son siège. Les solutions consistent à alléger la distribution et augmenter la force de rappel des ressorts de soupapes (en rajoutant une rondelle plus ou moins épaisse). Diminuer les frottements Le but est d’améliorer le rendement mécanique qui représente 10 à 15 % des pertes d’énergie :
Environ 40% des pertes par frottements se situent dans le contact segments/cylindres. On peut diminuer la tension des segments et augmenter jusqu’à 20% le jeu prescrit et au-delà de cette valeur la longévité diminue. A savoir qu’un piston en aluminium se dilate 2 fois plus qu’un piston en fonte.
La meilleure solution est d’employer de l’aluminium pour le piston et de la fonte pour la chemise. Pour un piston en acier, il doit subir en traitement de surface (sulfonitruration, revêtement de chrome ou de Nikasil par dépôt électrolytique.
Le montage « flottant » entre la bielle et le piston est plus fiable et plus performant sous sollicitations élevées. Pour cela, on réalèse le pied de bielle pour y insérer une bague en bronze.
Les guides d’origine en fonte sont remplacés par des guides en bronze de longueur plus faible. De plus une nitruration de l’arbre à cames est recommandée. Remarque : On peut espérer au mieux un gain en frottement de 15%. Chapitre 4 : AUGMENTER LA PME  Pour une cylindrée donnée, le couple moteur varie avec le régime et proportionnellement à la PME puisqu’elle ne reste pas constante et optimale. De par sa définition, cette pression moyenne découle directement de la pression maxi d’explosion. Il faut donc augmenter la durée de combustion, maintenir la pression pendant la phase de détente et le taux de remplissage à optimiser sur toute la plage de fonctionnement. Pour un meilleur rendement thermodynamique, le régime moteur doit être le plus bas possible donc on doit augmenter la PME : PME= 883,2 * Ps / N PME en bar ; Ps en ch./litre ; N en tour/min 4.1 Le remplissage Cette partie est la plus importante et délicate pour la préparation d’un moteur à essence. Le taux de remplissage « t » varie en fonction du régime. De plus, il est le rapport entre la masse effective absorbée Me (gaz) et la masse de référence correspondant à la cylindrée unitaire Mo (air) : t = Me / Mo. Donc pour un taux de 100%, le piston doit aspirer autant de gaz que d’air. Mais un moteur normal a son taux de remplissage valant 80% (125% pour une Formule 1). On lui associe le rapport volumétrique pour définir un taux ou rapport de compression « réel » du mélange aspiré : Rc = V*t + v / v. Si « t » vaut 1 alors Rc = Rv. Plus les taux sont élevés alors plus les pressions seront importantes d’où un meilleur rendement thermodynamique.  Conduits, culasses, soupapes
Alimentation par carburateur L’idéal est d’utilisation l’injection : l’alimentation sous haute pression en carburant est synchronisée avec le cycle moteur : la baisse en consommation et la hausse du couple est indéniable. Malgré tout, un carburateur peut être grandement amélioré au niveau de l’admission d’air. On installe un tuyau de forte section et un filtre offrant le moins de résistance à l’entrée de l’air (donc pas en papier) pour réduire les turbulences et les pertes de charges pour favoriser le remplissage du moteur.  Arbre à cames Il joue un rôle essentiel dans le remplissage : il contrôle les performances et le comportement du moteur. En effet, il assure : la levée et la durée d’ouverture des soupapes et la phasage de cette durée dans le cycle : c’est le diagramme de distribution. Dans le chapitre précédent, on a vu que la levée de la soupape conditionne la section de passage des gaz. Ainsi l’utilisation de la loi de la levée permet d’optimiser le profil de l’arbre à cames. L’idéal est une forte accélération de la soupape dés l’ouverture, pendant un temps très court, suivie d’une longue période de décélération pour éviter tout risque d’affolement. Pour les moteurs de série, on utilise un arbre à cames « pointues » qui permet des vitesses de rotation moins élevées d’où :
Echappement Son dimensionnement dépend de l’admission : il vidange le cylindre par dépression et permet d’améliorer le remplissage. Donc l’échappement est caractérisé par l’onde de dépression qui accélère la pénétration des gaz frais à l’admission. Cette onde implique une certaine longueur théorique du tube d’échappement : (cas d’un monocylindre) L = θ * C / (12 * N) L en mètre, C en m/s (vitesse propagation de l’onde), N régime en t/min, θ angle du vilebrequin (on prend 180°). On constate que plus le régime augmente alors plus la longueur du tuyau diminue. De plus, un diamètre de tube trop petit créera une forte perte de charge, une évacuation difficile des gaz brûlés. La présence d’un silencieux permet seulement de réduire le bruit mais au détriment des performances moteur. Ainsi, la réalisation d’une tubulure est extrêmement complexe et est réservée aux spécialistes. 4.2 Augmenter le rapport volumétrique Le rendement thermodynamique d’un moteur dépend directement du rapport volumétrique qui détermine la valeur de pression en fin de compression d’où l’intérêt de l’augmenter.  Ainsi, on réduit le volume v correspondant au volume de gaz emprisonné lorsque le piston atteint le PMH. Les possibilités sont de :
 Si le moteur comporte plusieurs cylindres, les rapports volumétriques et les volumes des chambres de combustion doivent être identiques. Rappel : Les spécialistes préconisent un rapport volumétrique de 10,5. Au-delà de cette valeur (maxi 12), les sollicitations sur les organes mécaniques imposent l’utilisation de matériaux de qualité (bielle forgée, nitruration de l’arbre à cames…). IMPORTANT : Après les modifications, on doit vérifier la marge de sécurité (≥1.5 mm) entre la tête du piston et les soupapes en position sorties, lorsque le piston est dans la position du PMH. 4.3 La combustion A partir d’une pression de compression donnée, la pression maximale d’explosion sera d’autant plus élevée que la combustion se déroulera pendant un temps très court, ceci afin que la combustion se rapproche d’une transformation à volume constant.    Pour obtenir cette condition idéale, il faut :
L’énergie d’inflammation est conditionnée par l’énergie de l’étincelle à la bougie qui dépend du système d’allumage, de la tension au secondaire et du régime moteur. L’allumage électronique est le plus élaboré. L’avance à l’allumage augmente avec le régime et dépend de la charge du moteur. L’avance est définit en degrés d’angle de vilebrequin par rapport au PMH. Bougies et électrodes :  CONCLUSION : Ce compte rendu est uniquement basé sur le livre de Patrick MICHEL de la collection E.T.A.I intitulé « LA PREPARATION DES MOTEURS ». Etant donné que nous ne disposons pas des moyens financiers importants, les moteurs à injection ne font pas partie de ce résumé. Pour améliorer le rendement global, les plus ″simples″ modifications à apporter au moteur sont :
ROCHARD Yannick IUP3 Mécanique / |
