Quatre cylindres en ligne, V6, W12. Nous entendons très souvent parler du fractionnement, ou nombre de cylindres, lorsque nous voulons connaître les performances des moteurs. Un chiffre derrière lequel se cache un choix technique bien précis, qui va au-delà du simple effet que peut produire la perception d’une valeur élevée. Un nombre élevé ne correspond pas toujours à une performance élevée et, lorsque c’est le cas, cela n’est pas aussi évident qu’il y paraît. Quand nous parlons de cylindres, par assonance nous pensons immédiatement à la cylindrée. On se dit aussitôt que plus la cylindrée est grande, plus la puissance délivrée par le moteur est élevée. Cela n’est vrai qu’en partie. La cylindrée est en effet déterminée par l’alésage (le diamètre intérieur du cylindre à l’intérieur du moteur), presque identique au diamètre du piston (qui se déplace à l’intérieur du cylindre), et par la course, c’est-à-dire le trajet linéaire du piston entre l’extrémité la plus haute (Point Mort Haut) et l’extrémité la plus basse (Point Mort Bas) du cycle. Il est en effet important de rappeler que, à l’intérieur du moteur, le piston, dans le cylindre, transforme l’énergie chimique de l’essence en énergie mécanique grâce à l’explosion de celle-ci. L’énergie mécanique est ensuite transférée au vilebrequin, qui se charge de transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement rotatif. Des deux grandeurs citées plus haut, c’est l’alésage qui influe sur la puissance utile que le moteur peut délivrer. Dans la Formule de la Puissance Unitaire, cela se vérifie immédiatement :
Où :
Le terme qui nous intéresse dans le sujet que nous abordons est S, c’est-à-dire la surface du ciel du piston (sa partie supérieure), celle qui détermine la dimension de la chambre de combustion lorsque le piston atteint le Point Mort Haut. Et l’on voit tout de suite que la puissance utile est directement proportionnelle à la surface S : plus la surface est grande, plus le moteur est en mesure de délivrer de la puissance. La course n’apparaît pas : elle n’influe pas directement sur la puissance délivrée, mais ce n’est pas une grandeur à négliger. La course est en effet déterminée par le diamètre du vilebrequin : plus son diamètre sera grand, plus sa masse (et son inertie) sera importante et plus les sollicitations mécaniques seront élevées. De plus, à longueur de bielle égale, l’inclinaison de cette dernière sera elle aussi plus importante. Plus la bielle est inclinée, plus la poussée du piston sur le cylindre est forte, avec pour conséquence une augmentation des pertes par frottement pendant le mouvement alternatif du piston. Les pertes par frottement se traduisent par un rendement moindre du moteur. Cela ne signifie pas qu’il soit préférable d’adopter des moteurs monocylindres. Comme nous le savons (cliquez ici), avec un seul cylindre il est obligatoire d’adopter le contre-arbre d’équilibrage afin de réduire les vibrations qui se produisent à haut régime. En outre, pour atteindre des puissances élevées, il est nécessaire d’adopter un piston au diamètre très important, ce qui est contre-productif car cela implique l’emploi de pistons encombrants et lourds, ainsi que de bielles et de vilebrequins de grandes dimensions, afin de supporter les sollicitations mécaniques considérables dues précisément à la grande inertie des composants. Tout cela empêche le moteur de fonctionner aisément à haut régime, à cause de l’inertie de ces composants. La nécessité d’adopter plusieurs cylindres (de dimensions plus petites), qui ensemble sont capables de délivrer une puissance supérieure, est donc évidente. La Formule de la Puissance Unitaire se rapporte à un seul cylindre et la puissance est une grandeur qui s’additionne ; la Formule de la Puissance pour un moteur fractionné est donc la suivante.
Où Z représente le nombre de pistons. Avec des pistons et des composants associés de dimensions réduites, chacun d’eux est léger par rapport à la solution monocylindre, ce qui permet de fonctionner aisément même à haut régime avec des sollicitations mécaniques contenues. De plus, avec des dimensions aussi contenues, les chambres de combustion sont compactes, garantissant un rapport de compression élevé et, donc, une combustion plus efficace. Comme dans toute solution technique, il y a toujours le revers de la médaille. Plus le nombre de pistons est élevé, plus l’encombrement et le poids du moteur augmentent. La surface totale des cylindres est plus grande, avec pour conséquence une dissipation plus importante de l’énergie produite par la combustion. Les frottements de glissement entre piston et cylindre augmentent, ce qui provoque une dégradation du rendement mécanique (efficacité), même si elle est compensée par une puissance délivrée supérieure. Et ce n’est pas tout. Afin de souligner qu’il est important de raisonner en termes de surface totale des ciels des pistons plutôt qu’en cylindrée, on définit un paramètre connu sous le nom de Puissance Spécifique Surfacique, donné par le rapport entre la puissance utile et la surface totale ZxS. Ce paramètre définit les performances du moteur considéré et classe les moteurs en fonction de sa valeur (plus il sera élevé, plus les performances du moteur seront élevées) ; il permet en outre de comparer entre eux des moteurs différents. Là encore, le paramètre confirme qu’un nombre plus élevé de pistons génère une puissance supérieure, à performances mécaniques, thermiques et fluidodynamiques du moteur égales.
Testo: Riccardo Casini
Foto: © Car-Shooters