augmenter la cylindrée

[Luig 0]

Augmenter la cylindrée est un des moyens pour augmenter les performances d'un moteur. Nous allons voir quelles sont les différentes façon d'y arriver et quelles sont aussi les limites de cette pratique.

Je vais donc analyser les solutions qui sont les plus réalistes et ne pas m'étendre sur certaines techniques utilisées exclusivement dans le cadre de la compétition.

Nous avons pu voir un topic sur le choix d'un turbo pour un moteur atmosphérique. En effet, c'est une méthode pour augmenter virtuellement la cylindrée d'un moteur.
Si par exemple nous utilisons un moteur 1600 cm³ avec une pression de sural de 1bar ( soit 2 bars absolus ) cela revient à multiplier la cylindrée initiale par 2.
Donc nous avons l'équivalent d'un moteur de 3.2 L car la masse de mélange qui est admise est multipliée par 2 aussi.

Autant nous pouvons comparer fictivement un 3.2L avec un 1.6L suralimenté, autant le 1.6 L sera nettement plus performant car l'encombrement sera réduit, les masses en mouvements seront moindres et le taux de remplissage sera toujours maximal dès le moment ou le turbo entre en action.

Augmenter l'alésage

Pour calculer la cylindrée unitaire ( 1 cylindre ) on utilise cette formule :



La seconde étant la formule permettant de calculer la cylindrée totale.

Donc nous pouvons voir qu'il y a 2 facteurs que l'on peut modifier pour augmenter la cylindrée.
L'alésage et la course.

L'alésage est assez simple pour augmenter la cylindrée puisqu'il suffit de réaléser le cylindre.

Pour un bloc stock :

Il vaut mieux en rester aux " cotes " de réparations qui en général ne dépassent pas 0.5mm. Dans tous les cas, il faut monter des pistons en côte réparation.
Le gain est assez faible, en général un gain compris entre 16 et 20cm³ sur la cylindrée totale...

Pour un bloc modifié :

Ici, le gain est nettement plus intéressant car on passe à des alésages beaucoup plus gros. Il faut pour cela installer des nouvelles chemises qui ont une très grande résistance malgré qu'elles soient plus mince que d'origine.
Mieux encore, un bloc moteur spécialement conçu pour l'occasion.
En tout cas sur honda, c'est possible d'avoir les 2 choix.
Ici on ne passe plus de 81 à 81.5 mais carrément de 81 à 87 mm !
Sur un B16A2 passer de 81 à 87 donne une augmentation de 245cm³ de cylindrée totale soit un gain potentiel de 14% sur la masse de mélange entrant.

Conséquences de l'accroissement de l'alésage

Masse du piston

Logiquement, augmenter l'alésage demande d'installer des pistons plus large ce qui signifie que le piston va être nécessairement plus lourd. Cela veut donc dire que l'on va augmenter l'inertie du piston et donc il s'agit de quelque chose de néfaste pour la résistance du piston en lui même.
C'est pour cela que les pistons pour les alésages hors cote constructeur sont forgés pour être d'une part plus résistants et de l'autre plus légers que ceux de série.

La force générée par l'inertie s'obtient en multipliant la masse du piston par l'accélération subie.

Fi = m * a

Fi : s'exprime Newton [ N ]
m : s'exprime en kg
a : s'exprime en m/s²

Pour faire simple, on ne calculera pas maintenant comment obtenir l'accélération du piston car c'est une formule un peu complexe.
On imagine un moteur tournant à 7000 rpm qui produit une accélération de 28000 m/s² ( 2800 G ) sur un piston de 500gr.
Cela veut dire que le piston doit supporter une force d'inertie de :
28000*0.5 = 14000 N soit environs 1.4 Tonnes

si on utilise un piston plus lourd de 10 grammes, la force d'inertie est de 14280 N soit l'équivalent de 280 kg en plus sur le piston pour une simple différence de 10 grammes !

Voila déjà une piste qui vise à aligner tout l'équipage mobile au même poids mais ça ne fait pas partie de ce chapitre

De même augmenter le régime moteur augmentera la force d'inertie sur le piston, on le verra plus loin.

A cela il faut encore ajouter les forces qui sont dues à la détente des gaz lors de la combustion... Ce qui veut dire que si on parvient à augmenter la pression de combustion grâce à une petite prépa du moteur et la rectification d'une carto + permettre au moteur d'augmenter de régime, autant dire que le piston en prend nettement sur la tronche !

C'est une des raisons pour laquelle lorsque je fais des cartos, je n'augmente pas le régime moteur si ce n'est de 200-300 rpm en plaçant le shiftlight un peu avant le régime ou devrait être le rupteur d'origine pour que vous puissiez pousser un peu plus loin dans le cadre des runs par exemple. Mais il ne faut pas en abuser, quand la lampe s'allume, il est temps de changer le rapport !

Les frottements entre piston et cylindre

Vu que le piston et le cylindre ont une plus grande surface après réalésage, on augmente aussi les frottements donc les pertes mécaniques. Cela se traduit en général par des régimes moins élevés.

Le rapport volumétrique

C'est un point à prendre en considération puisque pour un volume de chambre donné, le rapport volumétrique varie avec la cylindrée



Sur un B16A2, la chambre de combustion a un volume de 43.26 cm³

La cylindrée initiale de 1595 cm³ donne une cylindrée unitaire de 398cm³
La cylindrée avec un alésage de 87mm donne 1840 cm³ soit une cylindrée unitaire de 460 cm³

Le rapport volumétrique qui à la base est de 10.2:1 passe à 11.63:1

Tout ça bien entendu en supposant que la forme du piston n'a pas changé car s'il est plus bombé on augmentera encore plus le rapport volumétrique.

Donc non seulement l'augmentation de la cylindrée permet d'admettre plus de mélange, l'augmentation du rapport volumétrique permet d'augmenter le rendement thermodynamique.
En effet, plus on comprime un mélange, plus la combustion produit une pression de détente plus importante.

On a donc nos 14% potentiels de mélange admis auxquels on rajoute le gain en pression de combusion + le fait d'avoir une surface de tête du piston plus grande.

Une force est une pression multipliée par une surface ( F = p*s )

On a donc une pression qui est plus élevée ( + de mélange et + de compression ) multipliée à une surface plus importante ( celle de la tête du piston )
Le gain de couple est donc considérable !

Le joint de culasse

Toute augmentation d'alésage doit impérativement être suivi au niveau de l'alésage du joint de culasse car il ne doit pas déborder sur l'intérieur du cylindre.


Augmenter la course

On entre dans la 2e solution qui est plus compliquées car elle prend beaucoup plus de paramètres en compte.

En effet, la course étant un paramètre géométrique du vilebrequin, il faut le retravailler ( cas à exclure ) ou bien le changer.
Heureusement, il existe des kit complets qu'on appelle " stroker kit "

Conséquence de l'augmentation de la course

sur l'ensemble bielle-piston

Vu que le piston à une course plus grande, il risque donc fort de dépasser le bloc moteur une fois au PMH. De même pour le PMB

Il y a 3 solutions :

- Monter des bielles plus courtes si les pistons sont d'origine
- Monter des pistons avec un axe plus haut si les bielles sont d'origine
- Monter des pistons et des bielles modifiées en même temps en choisissant une bielle plus longue que d'origine associé a un axe de piston haut.

On va voir l'influence de la longueur de la bielle sur le comportement du moteur et pourquoi il est plus intéressant d'avoir des bielles longues malgré le fait qu'elle soient plus lourdes.

La vitesse moyenne du piston

Connaitre la vitesse moyenne du piston est à titre d'indication et ne représente pas vraiment une idée précise des contraintes puisqu'elle ne tient compte que de la course du piston.

Vmoy = (2*Course*Régime) / 60000

Vmoy : en m/s
Course : en mm
Régime : en tr/min

On peut considérer que le seuil critique pour un piston d'origine est de l'ordre de 20 m/s et les pistons forgés sont de l'ordre de 25 à 30 m/s. Bien entendu on parle de vitesse moyenne, pas de vitesse maximale !

On reprend notre B16A qui tourne à 7600 tr/min lorsque la puissance du moteur est maximale ( moteur stock )

Vmoy = (2 * 81 * 7600) / 60000 = 20,52 m/s
Sachant que le rupteur est placé à 8100 tr/min on constate que la Vmoy atteint 21.87 m/s

Donc il est déjà inutile de vouloir augmenter le régime via la carto pour des raison de fiabilité !
On sait que 20 m/s est un seuil critique, donc il se peut que les pistons honda soient déjà un peu plus costaud vu qu'ils dépassent ces 20 m/s
Par contre quelle est la résistance maximale ? ça on ne le sait pas et dans le doute...

Revenons au cas de l'augmentation de la course. Celle ci augmente donc la vitesse moyenne du piston ce qui entraine une énergie perdue par frottement plus importante car c'est proportionnel au carré de la vitesse.

Mais il ne faut pas confondre vitesse moyenne et vitesse instantanée du piston qui est variable à chaque position du piston et aussi par rapport à la longueur de la bielle.

On imagine donc 2 moteurs qui ont une course identique ( ex : 80mm ) et tournant tous les 2 à 7000 rpm.
Ils ont dans les 2 cas une vitesse moyenne de 18.6 m/s
Le premier moteur à
une bielle de 115 mm. La vitesse maximale instantanée du piston est de 31,1 m/s
Le deuxième moteur à
une bielle de 130 mm. La vitesse maximale instantanée du piston est de 30,5 m/s

Dans le premier cas, le piston subit des accélérations plus fortes puisqu'il atteint une vitesse plus élevée alors que la course est identique.

Cas concret :

Vous pouvez parfois remarquer des petits frimeurs qui pensent avoir un B16b like sous prétexte qu'ils ont monté ces fameux pistons sur leur B16a.
En fait, les 2 moteurs B16a et b16b n'ont rien à voir même s'ils ont exactement la même cylindrée.
Le B16a a une bielle de 134 mm tandis que le b16b a une bielle de 142 mm. Le bloc moteur est identique au B18 pour la simple raison que la bielle est longue.
Grâce à cela le B16b peut pour une même vitesse maximale du piston, atteindre un régime moteur plus élevé !

Le rapport R/L

C'est le rapport entre le rayon de manivelle du vilebrequin ( demi-course ) sur la longueur de la bielle.
En mathématique, on peut démontrer que plus ce rapport est court ( course très courte et bielle très longue ), plus les variations de vitesses du piston sont progressives.

Si on garde le même longueur de bielle, cela revient à augmenter le rapport R/L.
Cela signifie que l'on va augmenter les accélérations du piston et donc les forces d'inerties vont être plus élevées ce qui va nuire à la résistance mécanique du piston.
En plus de ça, si la vitesse maximale du piston augmente, les pertes par frottement vont donc aussi augmenter ( vu que c'est prorportionnel au carré de la vitesse )

Exemple :

Bielles = 120mm
La course passe de 80 à 90mm

Le rapport R/L passe de 0.33 à 0.375.

Ces chiffres sont à remplacer dans une formule qui permet de calculer l'accélération du piston. On imagine avoir les réponses après calculs ( source fiable ) qu'à 7000 rpm, on passe de 28660 m/s² à 33250 m/s²

On passe de 2866 G à 3325 G

Si le piston est de 500 gr, on passe d'une force d'inertie de 1.4 Tonnes à 1.6 Tonnes. Le piston subit 230 kg de plus alors que le régime est rigoureusement identique !
La vitesse maximale du piston va passer de 30.9 m/s à 34.5 m/s

Diminuer les accélérations c'est donc diminuer les contraintes sur le piston mais aussi les pertes par frottement mécanique.

Une autre remarque importante sur les bielles courtes et que celles ci présentent une obliguité plus importante. Je ne vais pas entrer dans le détail mais il faut savoir qu'une bielle courte à tendance à augmenter la force d'application du piston sur la parois du cylindre. Cela augmente d'une part l'usure du cylindre et d'autre part une augmentation des pertes par frottement.

Le couple

On va en parler et ici l'augmentation de la course permet justement de l'augmenter car un moment de force ( appellé vulgairement le couple dans le cas d'un moteur ) c'est une force multipliée par un bras de levier.

La force, c'est celle transmise par le piston sur la bielle et la bielle sur le maneton
Le bras de levier, c'est le rayon de manivelle du vilebrequin.

Pour une force constante, si le bras de levier augmente alors le couple augmente. Ce cas est facile à reconnaitre puisque quand vous devez déserrer un écrou par exemple, on a plus facile lorsque la clé est grande plutot qu'avec une petite clé.

Conclusion

J'ai voulu montrer un peu l'influence de l'augmentation de la cylindrée sans trop entrer dans les détails. Cependant, il y a suffisament d'informations pour se rendre compte que vouloir augmenter la cylindrée demande de prendre pas mal de paramètres en considérations.