Chap. 3 – 8: Etude moteur

3.  Quelle gestion ?

Figure_02Figure 2 : En remplaçant le débitmètre à palette par une gestion type « α & N [1] » (Chuka) on peut obtenir un gain de puissance substantiel même si, dans son cas, la préparation état plus poussée (augmentation de la taille des conduits de culasse…).

Conservant la base moteur d’origine, de nombreuses possibilités ont été envisagées. La carburation a, de suite, été éliminée au profit de l’injection pour permettre deux configurations : Une avec un calculateur à cartographie « minima de pollution » pour le contrôle technique et une avec un calculateur à cartographie « performance ». Parmi les injections envisagées, celles issues de la compétition ont été écartées pour des questions de budget[1] et de « discrétion ». Le choix se fera donc parmi des gestions de série. Chez PSA il en existe de plusieurs types :

 

  • Les gestions à débitmètre (palette ou fil chaud). Dans la version à palette, cette dernière pivote sur un axe en fonction du débit d’air. Le capteur de positon de cette palette informe le calculateur du débit (figure 3). Malheureusement cette palette freine nettement le débit, ce qui est pénalisant pour la préparation comme l’illustre la figure2 (source Internet[2]). Pour la version à « fil chaud » seul un fil traverse le flux d’air. Ce dernier est alimenté électriquement engendrant son échauffement. Plus la vitesse de l’air augmente, plus le fil est refroidi, plus cela modifie sa résistivité électrique. On obtient donc un courant électrique qui est l’image du débit d’air. Ce type de gestion est donc envisageable car, de par sa petite taille, le fil freine peu le flux d’air (figure 4).

Figure_03Figure 3: Schéma de principe de fonctionnement d’une gestion moteur par débitmètre à palette .

 Figure_04Figure 4: Schéma de principe de fonctionnement d’une gestion moteur par débitmètre à fil chaud.

  • Les gestions « α & N [3]«  utilisent la position du papillon pour connaitre le débit d’air. Aucun élément supplémentaire ne vient freiner le flux d’air, c’est pourquoi elles sont régulièrement utilisées en compétition (multi papillons[4]). En revanche celles de série sont souvent mono papillon comme chez PSA dans lequel est intégré le mono injecteur : Bosch MA1.7, 3.0 et 3.1. (figure 5). Elles sont souvent sous-dimensionnées pour une préparation. Ce type de gestion est donc mis de côté.

Figure_05Figure 5: Principe de fonctionnement d’une gestion type « α & N ».

 

  • Les gestions « p & N[5]«  captent la dépression régnant dans le collecteur d’admission. On en obtient une image du débit d’air car, quand le papillon est quasi fermé (débit faible), il y a une forte dépression dans le collecteur (moteur tournant). En revanche lorsque le papillon est grand ouvert (débit élévé) la pression est proche de la pression atmosphérique. Les gestions « α & N » sont bien adaptées à la préparation car rien n’obstrue le passage de l’air. Elles ne pouraient cependant pas être utilisées pour une préparation greffée de turbo (le capteur fonctionne à dépression et non à surpression).

Le choix s’est donc fait selon 4 critères : 

  • L’impact sur la respiration[6] du moteur.
  • La similitude du moteur sur laquelle elle était montée (même cylindrée, fixation de capteurs…) de sorte à minimiser les risques et les adaptations.
  • La marque (Bosch) imposée par le préparateur qui fera la cartographie.
  • La facilité à se la procurer (large diffusion des modèles l’utilisant).
  • Et surtout la capacité à ne pas freiner le flux d’air.

En utilisant le fichier Excel créé (Annexe n°1) on trouve la gestion Bosch Motronic MP3.1 comme étant la plus intéressante pour notre projet car elle permet une bonne respiration du moteur (type « p & N ») et était montée sur la même mécanique (ZX Volcane – XU9JAK). Elle existe en plusieurs versions (Catalysée ou non ; avec actuateur de ralenti ou TAA[7]). Elle a notamment été montée sur 405 et AX GTI. De plus elle dispose une cartographie d’allumage qui permettra de gagner 1.5 mkg de couple[8] soit près de 10ch à 6000 tr/min.

 

4.  Arbre à came : Souple ou pointu ?

 Sujet très très pointu qu’est l’admission… La mécanique des fluides est rarement maîtrisée sauf à avoir des moyens d’investigation couteux et encore… Le but est de trouver l’arbre à came adapté à la préparation envisagée. Cette pièce est souvent résumée, à tort, à 4 voire 5 caratéristiques[9] . Or c’est l’ensemble du profil de la came qui fait sa performance d’autant plus que la mesure de ses caratéristiques se fait dans des conditions parfois différentes[10]. La figure 6 illustre le couple obtenu par 3 des préparations vu précédement. La courbe rouge est typique d’une préparation circuit avec 304° à l’admission[11], elle n’est pas intéréssante dans le cas d’une prépa routière car la plage d’utilisation est d’une part réduite et d’autre part trop « haut perchée« . La courbe bleue est très polyvalente, idéalement plate et sur une plage de régime importante (de 3200 à 5400 tr/min). On peut toutefois s’étonner de ne pas retrouver le phénomène de suralimentation acoustique [12] qui génère alternativement sous et suralimentation en fonction du régime. Il est possible que pour cette préparation, les conduits d’admission amortissent l’onde acoustique. En revanche on retrouve bien ce phénomène sur la courbe verte avec une sous-alimentation à 4000 tr/min et une sur-alimentation à 5000 tr/min. Cet arbre à came est moins polyvalent (seulement de 4200 à 6200 tr/min) mais est en revanche le plus performant de tous. Bien que sa géométrie ne soit pas connue (secret de préparateur) c’est cet arbre à came qui a été retenu pour son compromis plage d’utilisation – performances.

Figure_06Figure 6: La courbe verte a été préférée aux autres pour son compromis plage d’utilisation – performance. Nb les conditions de mesures n’étant pas les mêmes nous comparons des tendances plutôt que des valeurs.

 

5.  Culasse.

 Nous repartons d’une culasse dont les conduits avaient déjà été préparés par un spécialiste (le même que pour l’arbre à came). Cela est d’autant plus intéréssant que comme pour l’arbre à came, cela demande beaucoup de savoir faire.
Néanmoins il nous faudra raboter la culasse et le bloc moteur pour atteindre le rapport volumétrique choisi de 11.50 +/-0.05(Préconisation PTS groupe A). Pour choisir un rapport volumétrique adapté à l’arbre à came choisi, le très intéréssant article n°5 publié sur site Power Dyn[13] vous aidera ou encore celui de Mikadoracing[14]. La hauteur à raboter est donnée par l’équation de la figure 7. Le rabotage sera réparti à la fois sur la culasse et le bloc.

Figure_07Figure 7: Calcul de la hauteur de rabotage (voir détail en Annexe n°2).

  

6.  Papillon : Quelle taille ?

 Le boitier papillon contribue aussi largement à la respiration du moteur. La première option, la plus performante, serait un  » 4 papillons « . Qu’il soit « maison » (à partir de boitiers et pipe d’admission de série modifiés) ou compétition, il n’est pas compatible avec la gestion retenue (difficulté à prendre une dépression fiable dans chacun des conduits d’admission). De plus cela n’est pas très discret pour une préparation routière. Le choix s’est donc porté sur un monopapillon. Reste à en sélectionner un qui ne soit ni trop petit (ne pas pénaliser le flux d’air), ni trop gros (conserver la progréssivité à la pédale d’accélérateur).
N’étant pas en mesure de déterminer certains paramètres aérodynamiques, des calculs simplifiés (figure 8) de la diminution de perte de charge ont été réalisés. Les résultats sont exprimés relativement à une référence (la 205 GTI 1L6) :

Figure_08Figure 8: Formule simplifiée de la perte de charge au papillon (exprimé en fonction de la 205 GTI 1L6). Voir détail en (Annexe n°3).

On est rapidement interpellé par le fait que, les boitiers papillon de la 1L6 et 1L9 sont identiques bien que leur besoin en air soit bien différent. Le moteur 1L9 étant postérieur au 1L6 on peut supposer que le 1L9 est sous-alimenté (41% de perte en plus) comme illustré en figure 9. Vraisemblablement un choix économique plutôt que technique. Cela se confirme avec le résultat du moteur de la 306 S16 qui, même s’il s’agit d’un 16 soupapes, revendique une meilleur alimentation (-52% de perte de charge). Si l’on pousse la comparaison plus loin avec le moteur de course (206 Super 1600) on atteint -62%. C’est pourquoi on a choisi un boitier papillon de 306 S16 car d’une part on obtient un résultat proche de la 206 Super 1600 et d’autre part la pièce d’adaptation pour se fixer sur la pipe d’admission d’origine était relativement simple et économique à faire usiner (Annexe n°4).

 Figure_09Figure 9: Comparatif des pertes de charge au papillon en fonction des configurations (exprimé sur la base des performances de la 205 GTI 1L6).

 

7 Echappement: 4-1 ou 3Y? 

 Sujet « épineux » ! Comme pour l’arbre à came. Quand bien même il est possible de calculer certaines valeurs comme la longueur de conduit idéale[15], l’essentiel du travail de conception se fait encore de manière empirique, et c’est ce qui fait la différence d’une marque à l’autre. Plutôt que de choisir un type de collecteur, il est plus judicieux de trouver un collecteur qui a fait ses preuves pour le moteur en question. Pour faire simple, le 4 en 1 est plutôt efficace dans les hauts régimes alors que le 3Y est plutôt coupleux aux régimes inférieurs. C’est en discutant avec des « spécialistes » qui ont testé différents modèles que le choix s’est porté sur une ligne complète (4 en 1) de chez Rc Racing. On notera qu’à l’époque le Supersprint obtenait aussi de bons résultats. Sur le site JSO un article[16] intéressant a été publié à ce sujet.

Figure_10Figure 10: Collecteur 4 en 1 Rc Racing inox (équivalent Iresa)

  

8 Volant moteur : Stockera, stockera pas ?

 Le volant moteur fait souvent partie des pièces auxquelles on pense pour gagner en performances. Au détour d’un petit calcul nous allons voir que le gain obtenu n’est pas forcément celui escompté.

Citation_volant_moteur

Un volant moteur a un rendement de 1, il restitue tout ce qu’il consomme, ce qui est excellent en soi. Le problème c’est qu’il consomme lors des phases d’accélération, justement au moment où on a besoin de toute la puissance.

Figure_11Figure 11: Puissance consommée par le volant moteur (P) en fonction de son inertie (J), de la montée en régime (ωf – ωi) et du temps d’accélération(t).

 Pour contrecarrer cela, on aura tendance à alléger le volant moteur. On peut alors calculer le gain en puissance en fonction de l’allégement du volant par la formule :

Figure_12Figure 12: Expression du gain de puissance (∆P) en fonction de l’accélération du moteur (ωf-ωi), du temps d’accélération (t) et de la diminution d’inertie (J1-J0) voir annexe 5.

En allégeant fortement le volant moteur (figure 13) on peut espérer, dans notre cas, un gain de 1,5 cheval (Annexe n°5) ce qui économiquement n’est pas intéressant. En revanche, plus la préparation moteur sera importante, plus l’allègement du volant moteur se justifiera. Cependant il est souhaitable, pour des raisons de fiabilité, de l’équilibrer. Auquel cas on peut en profiter pour l’alléger à moindre frais.

 Figure_13_1Figure_13_2

Figure 13: Volant moteur allégé à gauche (4.6×10-2 Kg/m2) et volant moteur d’origine à droite (8.5×10-2 Kg/m2).

Pour finir, on parle souvent de poids pour cette pièce. Cela n’a aucun sens ! Comme le démontre la formule ci-dessus, seule l’inertie (J) qui tient compte de la géométrie et de la matière, influe sur la performance. A poids identique, on peut avoir des inerties très différentes.

En revanche on peut faire le calcul de l’allégement châssis équivalent pour avoir les mêmes accélérations. L’article n°1sur le site Power Dyn[17] l’explique en détail.

[1] A partir de 500€

[3] Angle du papillon & régime moteur.

[5] Pression dans la pipe d’admission & régime moteur.

[6] On entend par là la capacité d’un moteur à admettre et évacuer le mélange gazeux.

[7] Tiroir d’Air Additionnel.

[8] La préparation des moteurs, Patrick Michel Ed : ETAI, p 125.

[9] :   AOA : Avance d’Ouverture à l’Admission

RFA : Retard de Fermeture à l’Admission

AOE : Avance d’ouvertue à l’Echappement

RFE : Retard de Fermeture à l’Echappement

[10] jeu à la soupape différents d’un fabricant à l’autre, exactitude  de la mesure…

[11] AOA + 180° + RFA

[12] La préparation des moteurs, Patrick Michel Ed : ETAI, p 97.

[15] Voir : La préparation des moteurs de Patrick Michel Ed ETAI page 147 & 148.

[17]http://www.powerdyn.fr/French/fArticles.html

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