Configuration du moteur: droit, en V, plat

Au début du XXe siècle, alors que les progrès de la conception battent leur plein, le moteur d’une cylindrée de 10 litres peut être soit un monocylindre, soit, par exemple, un huit cylindres en ligne droite. À cette époque, personne n’est vraiment surpris par le moteur six cylindres en ligne de 23 litres ou le moteur radial sept cylindres d’un avion installé sur une voiture…

Mais l’augmentation de la capacité de production, du chiffre d’affaires et la lutte acharnée pour réduire les coûts de production ont remis les choses à leur place. Le plus simple des moteurs monocylindres est devenu un lointain souvenir pour les constructeurs automobiles. La cylindrée moyenne d’un moteur de voiture classique est aujourd’hui comprise entre 300 et 600 centimètres cubes. Les performances par litre vont de 35 ch/l pour un moteur diesel à aspiration normale à 100 ch/l pour un moteur à essence à aspiration naturelle de grande puissance. C’est l’optimum pour les moteurs produits en série et il n’est tout simplement pas rentable d’aller au-delà.

Aujourd’hui, le moteur de 100 chevaux comporte dans la plupart des cas quatre cylindres, celui de 200 chevaux quatre, cinq ou six cylindres, celui de 300 chevaux huit cylindres… Mais comment ces cylindres peuvent-ils être disposés? En d’autres termes, selon quel schéma les constructeurs peuvent-ils construire un moteur multicylindre?

La simplicité est pire que la compacité

Quelle est la question qui préoccupe le plus le concepteur? Tout d’abord, la question de savoir comment simplifier la conception du moteur pour qu’il soit moins cher à produire et plus facile à entretenir. Le moteur droit est le plus simple. Pour obtenir la capacité requise, les concepteurs doivent disposer le nombre requis de cylindres en ligne.

Les moteurs à deux ou trois cylindres ne sont pas souvent utilisés dans les voitures, bien que la tendance des moteurs à deux cylindres gagne du terrain. Cette tendance est facilitée par des systèmes de mélange avancés et l’utilisation de la turbocompression (comme, par exemple, dans la version turbo à deux cylindres de 85 chevaux de la Fiat 500 à hayon). Mais le moteur à quatre cylindres en ligne s’inscrit dans la fourchette la plus large de la cylindrée des voitures particulières – de 1 à 2,4 litres.

Les moteurs cinq cylindres en ligne sont apparus sur les voitures de série relativement récemment, au milieu des années 70. Mercedes-Benz a été la première à proposer des moteurs diesel à cinq cylindres, qui sont apparus en 1974 (sur le modèle 300D avec le châssis W123). Deux ans plus tard, le moteur à essence Audi cinq cylindres de deux litres a été produit. À la fin des années 80, de tels moteurs ont été fabriqués par Volvo et FIAT.

Les moteurs à six cylindres droits, qui étaient jusqu’à récemment si populaires en Europe, sont devenus en un clin d’œil une espèce en voie de disparition. Quant au moteur à huit cylindres, il n’est plus d’actualité: les constructeurs l’ont pratiquement abandonné dans les années 30. Pourquoi?

La réponse est simple. Le moteur s’allonge au fur et à mesure que le nombre de cylindres augmente, ce qui entraîne de nombreux inconvénients au niveau de l’agencement. Par exemple, il n’a été possible de faire passer un moteur à six cylindres en ligne droite dans le compartiment moteur d’une voiture à traction avant que dans quelques cas – seuls l’Austin Maxi 2200 anglaise du milieu des années 60 (les concepteurs ont alors dû cacher la boîte de vitesses sous le moteur) et la Volvo S80 avec une boîte de vitesses super compacte viennent à l’esprit.

Comment peut-on raccourcir un moteur droit? On peut le « scier » en deux, placer les deux moitiés l’une à côté de l’autre et les faire travailler pour un seul vilebrequin. Les moteurs dont les cylindres sont disposés en forme de V sont deux fois plus courts que les moteurs droits – les plus courants sont les moteurs avec un angle inclus de 60° et 90°. Un moteur en V avec un angle inclus de 180°, dans lequel les cylindres sont disposés l’un en face de l’autre, est appelé moteur plat (ou moteur boxer – les désignations B2, B4, B6, etc. viennent de ce mot).

Ces moteurs sont plus complexes que les moteurs droits – par exemple, ils ont deux culasses (chacune avec son propre joint et ses propres collecteurs), plus d’arbres à cames et une configuration d’entraînement plus complexe. De plus, les moteurs plats prennent beaucoup de place en largeur. C’est pourquoi ils sont rarement utilisés pour des raisons d’agencement – les fabricants de moteurs boxer se comptent sur les doigts de la main.

Et comment rendre un moteur en V encore plus compact? L’une des solutions les plus simples, à première vue, consiste à fixer l’angle inclus du bloc à moins de 60°. En effet, de tels moteurs ont été trouvés, mais rarement – on se souvient par exemple de la Lancia Fulvia des années 70 avec des moteurs V4, dont l’angle inclus du bloc était de 23°. Pourquoi tous les constructeurs ne l’ont-ils pas utilisé? Le fait est que le concepteur d’un moteur est toujours confronté à un autre problème: les vibrations.

Force et couple

En général, un moteur à combustion interne à piston ne peut pas fonctionner sans vibrations – c’est sa conception. Mais il est nécessaire de les combattre, et pas seulement pour améliorer le confort des passagers. De fortes vibrations déséquilibrées peuvent entraîner la destruction de pièces du moteur – avec toutes les conséquences qui en découlent… 

Pourquoi les vibrations se produisent-elles? Tout d’abord, les éclairs dans les cylindres se produisent de manière inégale dans certaines configurations de moteur. Les concepteurs évitent si possible de telles configurations ou essaient de rendre le volant d’inertie plus massif, ce qui permet d’atténuer les ondulations du couple. Deuxièmement, lorsque les pistons montent et descendent, ils accélèrent puis ralentissent, ce qui provoque l’apparition de forces d’inertie – semblables à celles qui font plier les passagers d’une voiture au moment du freinage ou qui les poussent dans les dossiers des sièges lors de l’accélération. Troisièmement, la bielle du moteur ne se déplace pas de haut en bas, mais effectue un mouvement complexe. Et le mouvement alternatif du piston du point mort supérieur au point mort inférieur ne peut pas non plus être décrit comme une simple sinusoïde.

C’est pourquoi des composantes dont la vitesse de rotation du vilebrequin est doublée, triplée ou quadruplée apparaissent parmi les forces d’inertie… Ces forces d’inertie dites d’ordre supérieur sont généralement négligées – elles sont très faibles par rapport à la force d’inertie principale (à laquelle on a attribué le premier ordre). Les forces d’inertie de second ordre constituent l’exception et doivent être prises en compte. De plus, les paires de forces appliquées à une certaine distance forment des couples – cela se produit lorsque les forces d’inertie dans des cylindres voisins ont des directions différentes.

Que peut-on faire pour équilibrer les forces et les couples? Tout d’abord, vous pouvez choisir une configuration de moteur dans laquelle les cylindres et les manivelles sont disposés de manière à ce que les forces et les couples s’équilibrent mutuellement – ils seront toujours égaux et de directions opposées.

Mais que se passe-t-il si aucun des schémas équilibrés ne convient, par exemple pour des raisons d’agencement? Le concepteur peut alors essayer de positionner les manetons du vilebrequin différemment et d’appliquer toutes sortes de contrepoids qui créent des forces et des couples égaux en magnitude, mais opposés en direction aux forces principales à équilibrer. Parfois, cela peut se faire en plaçant des contrepoids sur le vilebrequin du moteur. Parfois, ils sont placés sur des arbres supplémentaires, appelés arbres de contre-rotation d’équilibrage. Ils sont appelés ainsi parce qu’ils tournent dans un sens différent de celui du vilebrequin. Mais cela complique le moteur et augmente son coût.

Parmi les moteurs courants, il n’y a que deux types de moteurs qui sont absolument équilibrés: les six cylindres droits et les six cylindres à plat. Vous comprenez maintenant pourquoi BMW et Porsche tiennent tant à ces moteurs. Et nous avons déjà mentionné les raisons pour lesquelles d’autres les refusent. Examinons maintenant de plus près les autres configurations.

Moteurs équilibrés et moins équilibrés

Parmi les moteurs bicylindres, un seul est utilisé aujourd’hui sur les voitures: le moteur bicylindres droit avec un vilebrequin dont les manivelles sont à sens unique (ce type de moteur équipait, par exemple, la voiture russe Oka). Comme vous pouvez le constater, ce moteur est similaire à un moteur monocylindre en termes d’équilibre, puisque les deux pistons montent et descendent simultanément, en phase. Afin d’équilibrer les forces d’inertie libres du premier ordre, deux arbres avec contrepoids ont été utilisés dans le moteur Oka à gauche et à droite du vilebrequin. Mais qu’en est-il des forces de second ordre? Pour y faire face, les constructeurs devraient ajouter deux arbres d’équilibrage supplémentaires, ce qui serait tout à fait inapproprié sur un moteur à deux cylindres, conçu à l’origine pour des voitures petites et bon marché.

Mais ce n’est rien: de nombreux moteurs bicylindres ont été produits sans arbre d’équilibrage. C’est le cas, par exemple, de la petite Fiat 500 de 1957. Oui, il y avait des vibrations, le constructeur a essayé de les amortir avec la suspension de l’unité motrice… Mais le moteur s’est avéré simple et bon marché ! Le caractère bon marché des moteurs bicylindres tente aujourd’hui les développeurs : ce n’est pas pour rien que ce schéma a été utilisé par les créateurs de la voiture la plus abordable de la planète, la Tata Nano hatchback indienne.

Aujourd’hui, un moteur bicylindre, dont les manivelles sont orientées différemment (à un angle de 180°), ne se trouve plus que sur les motos. Il est mieux équilibré, car les pistons s’y déplacent toujours en opposition de phase. Cependant, l’alternance uniforme des éclairs dans les cylindres n’est possible que sur les moteurs à deux temps – ces moteurs équipaient les DKW d’avant-guerre et leurs héritières directes, les Trabant en plastique de la RDA. En raison de leur simplicité et de leur faible coût, ces moteurs ne comportaient pas non plus d’arbre d’équilibrage, et les conducteurs s’accommodaient simplement des vibrations qui en résultaient.

On se souvient de la seule voiture dotée d’un moteur à deux cylindres en V: la NAMI-1 russe. Et à ce jour, ce type de moteur n’a survécu que sur les motos – rappelez-vous la Harley Davidson américaine et ses successeurs japonais avec leurs moteurs en V dans toute leur gloire chromée. Un tel moteur peut être équilibré presque complètement à l’aide de contrepoids sur le vilebrequin, mais il est impossible d’obtenir une alternance uniforme des éclats. Heureusement que les motards ne sont pas très attentifs aux vibrations…

Un moteur à trois cylindres est moins bien équilibré qu’un moteur à quatre cylindres, et c’est pourquoi les fabricants de moteurs à trois cylindres, par exemple Subaru et Daihatsu, essaient de les équiper d’arbres d’équilibrage. À l’époque, les motoristes d’Opel ont décidé d’abandonner l’arbre d’équilibrage, en développant un moteur trois cylindres de la famille Ecotec pour la Corsa de deuxième génération, afin de réduire les coûts et les pertes mécaniques. La Corsa à trois cylindres a été critiquée par les journalistes automobiles allemands après ses débuts en 1996: «Il est absolument impossible de rouler en ville en mode variable».

La force d’inertie de second ordre reste libre dans le moteur le plus populaire parmi les concepteurs de moteurs, un quatre cylindres en ligne droite. Elle ne peut être équilibrée que par un arbre d’équilibrage tournant à deux fois la vitesse. (Avez-vous oublié que la force d’inertie de second ordre agit avec une fréquence deux fois plus élevée?) Et pour compenser le couple de l’arbre d’équilibrage, il faut en placer un autre qui tourne dans le sens opposé. C’est cher? Certainement. Cependant, on trouve des moteurs à arbre d’équilibrage chez Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat et diverses marques de Volkswagen.

Soit dit en passant, un moteur à quatre cylindres à plat est mieux équilibré qu’un moteur droit – il n’y a qu’un couple provenant des forces d’inertie de deuxième ordre, qui tend à faire tourner le moteur autour de l’axe vertical. Toutefois, le moteur à plat refroidi par air de la légendaire Coccinelle et les célèbres moteurs boxer de Subaru étaient et sont toujours dépourvus d’arbres d’équilibrage.

Les moteurs à pistons droits ne sont pas très performants en matière d’équilibre. Les forces d’inertie sont compensées, mais le couple de ces forces… Pendant le fonctionnement du moteur, une onde de couple de flexion «traverse» constamment le bloc, qui doit donc être très rigide. Cependant, Mercedes-Benz, Audi et Volvo luttent contre les vibrations en modifiant la suspension de l’unité de puissance ou en utilisant des contrepoids spéciaux (comme le 5 TFSI 2,5 suralimenté de l’Audi TT RS). Seuls les motoristes de Fiat ont utilisé un arbre d’équilibrage, qui équilibre complètement tous les couples.

Par ailleurs, presque tous les moteurs à cinq cylindres sont formés en ajoutant un cylindre supplémentaire à un moteur à quatre cylindres, comme des briques dans un jeu de construction. Cela permet d’obtenir des moteurs plus puissants avec des coûts de production et de conception minimaux. En même temps, tout le matériel, y compris les pistons, les bielles, les soupapes, etc., peut être prélevé sur le moteur à quatre cylindres. Vous aurez besoin d’un bloc et d’une culasse différents et, bien sûr, d’un vilebrequin, dont les manivelles doivent être disposées à un angle de 72°.

Nous avons déjà évoqué les moteurs à six cylindres, un rêve en termes d’équilibre. Mais dans les moteurs V6, qui remplacent les six cylindres droits, la situation en matière d’équilibre est la même que dans les moteurs à trois cylindres, c’est-à-dire moins bonne. C’est pourquoi, par exemple, le tout premier moteur V6 de Mercedes-Benz était équipé d’un arbre d’équilibrage en vé – le bien mérité M112 à trois soupapes par cylindre. Le moteur six cylindres de trois litres du groupe PSA avait un arbre dans l’une des têtes du bloc. Les ingénieurs ont essayé de ne pas compliquer la conception des autres moteurs de l’époque et de réduire les vibrations au minimum grâce à la suspension améliorée du moteur et à la disposition ingénieuse des manetons (comme, par exemple, sur l’Audi V6).

Ajoutons une remarque supplémentaire: dans les moteurs V6 avec un angle d’inclusion de 90°, l’alternance uniforme des éclairs dans les cylindres n’est pas assurée. La non-uniformité de la course qui en résulte peut être compensée par un volant d’inertie lesté, mais seulement en partie. Voici une autre source de vibrations pour vous…

Les moteurs V8 avec un angle inclus de 90° et un vilebrequin dont les manivelles sont situées dans deux plans mutuellement perpendiculaires sont très bien équilibrés. Il est possible d’assurer une alternance uniforme des éclairs dans un tel moteur, ce qui contribue également à son bon fonctionnement. Deux couples restent déséquilibrés, ce qui peut être complètement calmé à l’aide de deux contrepoids sur le vilebrequin – sur les âmes des cylindres d’extrémité. Comprenez-vous pourquoi les Américains ont été les premiers à apprécier les moteurs en V? Ils n’aiment vraiment pas les vibrations et les secousses dans leurs voitures…

Enfin, nous pouvons parler des schémas inhabituels. Tout d’abord, rappelons les moteurs V4. Il y en a eu peu: le modèle européen Ford des années 60 (qui a été installé sur la Ford Taunus, la Capri et la Saab 96) et un «moteur miracle» de Zaporozhets. Un arbre d’équilibrage a été utilisé pour le couple provenant des forces d’inertie de premier ordre. Toutefois, les concepteurs des voitures susmentionnées ont choisi ce système pour des raisons de compacité et, en partie, de réduction des coûts, et non pour un bon équilibre.

Qu’en est-il des moteurs V-ten? Le degré d’équilibre de ces moteurs est exactement le même que celui des moteurs R5. Cependant, les concepteurs des anciens moteurs de Formule 1 ou des monstres Dodge Viper et Dodge RAM, où sont installés des moteurs V10, n’ont pas pensé en premier lieu aux vibrations.

En effet, d’autres schémas peuvent facilement être ramenés aux précédents. Par exemple, le huit cylindres à plat (dont les voitures de course Porsche 917 sont un exemple d’application) est constitué de deux moteurs à quatre cylindres fonctionnant avec un seul vilebrequin. Les moteurs en V et les moteurs à douze cylindres plats peuvent être réduits à deux moteurs à six cylindres droits.

VR6, VR5, W12

Vous savez, nous avons mentionné les moteurs en forme de V avec un petit angle inclus dans le bloc – comme sur les Lancia. Auparavant, ces systèmes étaient évités – il est plus difficile de les équilibrer que les moteurs avec un angle inclus de 60° ou 90°, et le gain en compacité n’était pas tellement apprécié à l’époque…

Mais aujourd’hui, la situation a changé. Tout d’abord, les hydromounts de l’unité de puissance, qui amortissent considérablement les vibrations, sont largement utilisés. D’autre part, l’espace sous le capot vaut désormais son pesant d’or. Après tout, qui aurait pu imaginer auparavant une modeste voiture à hayon équipée d’un moteur de 2,8 litres? Et maintenant, c’est chose faite! Tout a commencé avec la Volkswagen Golf VR6 de troisième génération.

Le célèbre moteur VR6 de Volkswagen, un moteur «droit en forme de V» (c’est ce que dit la désignation VR), est une évolution des moteurs en forme de V avec un petit angle inclus dans le bloc. Les cylindres de ce moteur sont séparés par un angle encore plus petit que sur les Lancia – seulement 15°. L’angle est si faible qu’un tel moteur est également appelé «droit décalé». Une solution ingénieuse – le 2.8 six est plus compact qu’un moteur V6 conventionnel, et a même une seule tête de bloc!

Puis le moteur VR5 est apparu – il s’agit du VR6 dont un cylindre a été «coupé». Ensuite, les concepteurs de moteurs du groupe Volkswagen se sont déchaînés.

Ils ont créé le moteur supercompact W12, qui a fait ses débuts en 1998 sur le concept-car W12 Roadster. Il s’agit de deux moteurs VR6 montés à un angle de 72° sur un seul vilebrequin. Mais avant cela, le moteur W8, qui équipait le modèle haut de gamme de la berline Passat, est entré en production. Il existe également deux moteurs VR6, dont deux cylindres sont «coupés» et qui sont également combinés en un seul bloc sur un seul vilebrequin. À Wolfsburg, on a également pensé à un moteur à dix-huit cylindres, mais on s’est finalement arrêté au W16 à quatre turbocompresseurs, qui permet à la Bugatti Veyron d’atteindre 431 km/h.

Pourquoi de tels moteurs n’existaient-ils pas auparavant? Regardez, par exemple, le vilebrequin du moteur W12 – un technologue n’imaginerait pas une telle chose, même dans ses pires cauchemars! Un ordinateur devrait aider les créateurs de nouveaux systèmes. Il est très difficile de se passer de la puissance informatique pour calculer toutes les options concernant l’angle d’inclinaison du bloc, l’emplacement des manetons, l’ordre des éclairs dans les cylindres et choisir la plus équilibrée.

Théorie et pratique

Comme vous pouvez le constater, les concepteurs ne mettent pas du tout l’accent sur le degré d’équilibre lorsqu’ils choisissent le schéma d’un groupe motopropulseur. L’essentiel est de réussir à intégrer dans le compartiment moteur un moteur qui présentera le meilleur rapport entre le poids, la taille et la puissance. Par ailleurs, les moteurs sont de plus en plus souvent construits selon le principe de la modularité. En d’autres termes, n’importe quel moteur peut être construit à partir d’un groupe de pistons, qu’il s’agisse d’un trois cylindres ou d’un W12. Après Volkswagen, de plus en plus de constructeurs adoptent des conceptions modulaires. La dernière gamme de moteurs Mercedes en est un excellent exemple.

Et les vibrations… Tout d’abord, il convient de faire la distinction entre l’équilibre théorique et l’équilibre réel du moteur. Si le vilebrequin assemblé au volant n’est pas équilibré et que les pistons et les bielles ont un poids sensiblement différent, même le moteur à six cylindres en ligne tremblera. En fin de compte, l’équilibre réel est toujours bien pire que l’équilibre théorique, en raison de la déviation des pièces par rapport aux dimensions nominales et de la déformation des unités sous charge. Les vibrations se propagent donc du moteur vers l’extérieur, quel que soit le schéma. C’est pourquoi les ingénieurs automobiles accordent une grande attention à la suspension de l’unité motrice. En fait, la conception et l’emplacement des supports du moteur ne sont pas moins importants que le degré d’équilibre du moteur lui-même…

Il s’agit d’une traduction. Vous pouvez lire l’original ici : https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html