Introduction
Le couple
La puissance
Les courbes relatives
La relation couple/efficacité volumétrique
Les moyens d'augmenter le couple et la puissance
Introduction :
Le couple et la puissance sont les deux caractéristiques principales du rendement d'un moteur à explosion.
Ces valeurs permettent de rendre compte des performances du moteur.
Elles sont toutes les deux liées au régime de rotation du moteur.
Ces notions sont souvent floues et mal comprises de beaucoup des utilisateurs.
Cet article va essayer de clarifier la situation...
Le couple :
Lors de l'explosion du mélange air/essence dans la chambre de combustion, la détente des gaz exerce sur le piston une force de poussée vers le bas qui engendre, par l'intermédiaire de la bielle et du vilebrequin, un couple moteur (une "force") provoquant la rotation du vilebrequin.
Image 1
Ce couple instantané variant sans cesse lors de la descente du piston en raison de la variation de l'inclinaison de la bielle et de l'angle de rotation du vilebrequin, on préfère utiliser comme référence une valeur moyenne de ce couple pour chaque régime moteur.
Le couple représente donc l'expression de la force qui fait tourner le vilebrequin, elle exprime la capacité d'accélération du moteur pour un régime donné. On parle donc de couple maximum pour un régime et on l'exprime en m.Kilo ou en m.daN (1m.kg = 0,981 m.daN).
Les américains utilisent eux les foot x pound (ou ft.lbs) (1m.kg = 0,138ft.lbs).
En pratique, le couple est ressenti dans la première phase de l’accélération, jusqu’au régime où il atteint son maximum, puis, sa valeur moyenne décroissant, il laisse le pas à la puissance.
On dira donc d’un moteur qu’il a du couple lors qu’il a une bonne réponse à bas régime, par exemple en tractant son équipage en côte à bas ou moyen régime.
A l’inverse, un moteur qui manque de couple devra prendre plus de tours/minute pour faire appel à la puissance…
(le cas typique, c’est le mono-cylindre deux temps de petite cylindrée qui n’avance pas en dessous de 12000rpm…)
La puissance :
Par définition, la puissance est la force multipliée par la distance et divisée par le temps, son unité est le Watt.
On utilise plus volontiers en moto le Cheval Vapeur ( 1ch = 736 Watt) et la formule qui permet de la calculer est la suivante :
La puissance (en Ch) = ( le couple (en m/kg) X le régime (en tours/minute) /736
On voit donc ici que puissance et couple sont directement liés par le régime, la puissance sera directement proportionnelle au couple pour un régime donné, et plus le moteur sera capable de prendre des tours plus il sera puissant pour une valeur de couple donnée.
En pratique, la puissance s’exprime après que le moteur ait atteint son régime de couple maximal, c’est elle qui fait prendre les derniers tours minutes jusqu’au rupteur…
Lors d’une accélération brutale, en départ arrêté par exemple, c’est surtout elle qui s’exprime car le régime de couple maximal est rapidement atteint et dépassé, le pilote passant les rapports dans les hauts régimes.
En reprise, par contre, si le pilote ne rétrograde pas, c’est le couple qui va prendre le relais jusqu’à son régime maximal, puis laisser la place à la puissance si le pilote ne change pas de rapport.
Si le pilote rétrograde en reprise, il maintiendra le régime à la limite du couple maximum et permettra au moteur de rester entre couple maximum et puissance maximale (à condition bien sur que l’étagement de la boite soit correct…).
Les courbes relatives :
Les courbes de couple et de puissance sont toujours associées car elles sont liées par le régime moteur.
En général, les deux courbes sont parallèles et croissent avec le régime, jusqu’à ce que le couple atteigne sa valeur maximale et commence à décroitre. La courbe de puissance la croise alors et continue elle de croitre, jusqu’à ce que le rupteur coupe l’allumage.
Le régime de couple maximal correspond au régime de meilleur rendement du moteur, là où le taux de remplissage des cylindres et le rendement de la combustion sont optimaux. Au-delà, les différents facteurs restrictifs (échappement, filtre à air) et constitutifs (arbres à came, architecture du moteur) vont entrainer une chute plus ou moins rapide de la valeur du couple.
L’étude de la courbe du couple renseigne énormément sur le comportement et l’agrément du moteur.
En usage courant comme en compétition (hors dragster), il est particulièrement intéressant de disposer d’un couple élevé à bas régime, ce qui garanti de bonnes reprises et des accélérations correctes à partir d’un régime donné le plus bas possible.
On aura ainsi un moteur plus « facile », ce qui permettra au pilote de se concentrer sur la conduite.
Le régime de couple maximum a une importance capitale car il détermine la plage d’utilisation optimale du moteur.
Dans le cas d’une utilisation routière, on s’attachera à maintenir ce régime vers les 50% du régime maximal pour un moteur souple et agréable à bas régime.
En compétition, on cherchera par contre à décaler ce régime de couple maximal vers les 75% du régime maximal, ceci permettant lors des accélérations de pousser chaque rapport jusqu’à la zone rouge et de retomber au régime de couple maximum lors du passage du rapport supérieur.
Cependant, à valeur égale de couple maxi, ce type de moteur se révèlera plus pointu à l’utilisation et la conduite se fera plus dans les tours, ce qui ne correspond pas vraiment à l’esprit « cruising »…
L’allure de la courbe de couple est également importante : plus elle sera plate et plus le moteur sera volontaire et répondra à tous les régimes, à condition bien sur que les valeurs soient en rapport avec la masse du véhicule.
Image 2
Lorsqu’on veut comparer deux moteurs, cette comparaison doit être faite par la puissance développée dans la même plage d’utilisation. Ainsi un moteur de dragster fait pour tourner entre 5000 et 8000rpm donnera, à cylindrée égale bien sur, moins de puissance à 2000rpm qu’une Electra faite pour cruiser entre 2000 et 4500rpm.
Tout est affaire de dosage, l’obtention d’une caractéristique se faisant forcément au détriment d’une autre, mais, plus la cylindrée est importante et moins il y a de compromis à faire…
Pour comparer, voici les courbes d’un GSXR de 2009… sans commentaires…
Image 3
La relation couple/efficacité volumétrique :
Comme dit précédemment, le couple est en relation avec le régime et pour chaque régime, une valeur de couple peut être déterminée.
Le couple maximal correspondra quand à lui à l’efficacité volumétrique maximale, c'est-à-dire le moment où le moteur atteindra son rendement maximal en matière d’aspiration des gaz frais et d’éjection des gaz brulés.
C’est en effet quand l’efficacité volumétrique est maximale que le rendement du moteur est le plus performant et c’est là que la force Fb (voir Image 1) est la plus grande.
La cartographie Delphi permet d’analyser rapidement la courbe de couple d’un moteur en examinant les tables VE.
On peut retrouver les valeurs maximales de remplissage atteintes dans chaque plage de régime, en faire la moyenne pour les deux cylindres et en déduire la courbe de couple du moteur.
Sur le graphique Excell suivant, j’ai rassemblé les Valeurs VE pour une ouverture de 100%, soit plein gaz…
On peut voir deux pics sur la courbe des valeurs moyennes (jaune), un à 2000rpm et l’autre à 3500-4000rpm, avec entre les deux une zone plus plate qui se maintient au dessus d’une valeur VE de 100…
Image 4
La ligne bleu représente la courbe VE moyenne de la cartographie AE176 de base, la ligne jaune la courbe VE moyenne de la configuration de test (arbres à came Andrews 26H, silencieux Vance, filtre à air stage 1) ….
J’ai fait passer la même bécane sur un banc Fusch et voici les courbes que j’ai obtenue :
Image 5
On retrouve nettement les 2 pics avec une montée à 2000rpm puis entre 3500 et 4000rpm avec une baisse ensuite….
L’enregistrement, plus précis que l’analyse simple des tables VE, permet de mettre en évidence un petit pic entre 3500 et 4000 qui n’est pas visible sur la table VE, pour cause de résolution insuffisante….
En bidouillant les courbes d’avance, on peut ensuite agir sur la courbe de couple et l’aplatir au maximum pour avoir une réponse bien répartie…
Mais ceci est une autre histoire….
Les moyens d'augmenter le couple et la puissance :
On dispose de 4 axes de travail :
Augmentation de la compression : une compression plus élevée entrainera une explosion plus importante et augmentera la force de poussée des gaz sur le piston….
Réduction de la durée de la combustion : une combustion plus rapide aura les mêmes effets
Augmentation du régime maximal : plus de tours/minute X le couple = plus de puissance
Augmentation de la cylindrée : of course…
Pour augmenter la compression :
- amélioration du remplissage du cylindre (filtre à air, optimisation de l’injection, perméabilité des culasses…)
- modification du diagramme de distribution (arbre à came)
- amélioration de l’évacuation des gaz brulés (échappement)
- augmentation du rapport volumétrique (joint de culasse, piston à dôme…)
Pour réduire la durée de combustion :
- augmenter la compression (voir ci-dessus…)
- travailler l’homogénéité du mélange air/essence (flux laminaire, turbulences, squich)
- optimisation du mélange et de l’allumage
Pour augmenter le régime maximal :
- modifier le régime de coupure du rupteur
- diminuer et équilibrer les masses en mouvement
- diminuer les frottements
Travailler dans une seule direction est le meilleur moyen de « déséquilibrer » son moteur et d’obtenir l’inverse du résultat escompté…
Un moteur bien préparé est le fruit d’un ensemble de combinaisons d’éléments adaptés entre eux et pensé comme un tout.
Pour ce qui est de la préparation de base, sans rentrer dans des modifications profondes, l’optimisation des tables VE et de l’avance à l’allumage sur un moteur stock avec un couple filtre à air/échappement adapté donnera forcément un bon
résultat.
Cet article s’est largement inspiré des articles rédigés par l’excellent Jacques PERRET parus dans Freeway
