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Préparation de l'admission
Contributed by Oggy3-2 on 25 February 2003 à 21:10:50 CET
993
Evaluation des régimes de remplissage optimal du moteur









1) La théorie

La qualité de remplissage du moteur dépend essentiellement des données suivantes :

Le diamêtre des conduits qui doit être adapté au débit nécessaire.
La levée des soupapes, qui doit être suffisante pour permettre le débit nécessaire.
La température de l'air admis, qui doît être le plus frais possible.
La longueur des tubulures d'admission, qui s'accorde avec des régimes de résonnance, et qui intervient aussi dans l'inertie de la colonne gazeuse.


Monter de grosses soupapes, agrandir et polir les conduits, ou encore monter une admission directe sur un moteur mal architecturé, dont les régimes de résonnance et le design des chambre de combustion sont à l'opposé de ce que l'on veut en obtenir, ne donnera pas grand chose de bon.

Plutôt que perdre du temps sur le polissage des conduits -qui nous le verrons par la suite se révèle souvent inutile- il vaut mieux s'attarder à partir sur des ordres de grandeur cohérents.

En effet, la longueur et la géométrie des tubulures d'admission sont des éléments prépondérants dans le comportement du moteur. Plus ces tubulures sont longues, plus elles permettront la formation et l'accélération d'une colonne gazeuse qui doit arriver à pleine vitesse dans le cylindre afin de mieux le remplir (au delà de 100 m/s, donc environ 400 km/h).

Pour revenir à la longueur des conduits, lorsqu'on n'a pas les moyens d'effacer les phénomènes vibratoires, elle doit être calculée de sorte que l'admission "vibre au quart d'onde" :

Lors de l'ouverture et de la fermeture des soupapes se crée une onde de choc (en P2 sur le schéma "Données" ci dessous) qui va partir dans le sens inverse à celui de l'air admis, pour résonner en P1 et donc revenir en direction de P2. La vitesse de cette onde se calcule facilement en fonction de la célérité de l'air admis, qui dépend essentiellement de sa température.

Il faut donc pouvoir déterminer les régimes auxquel pour une durée d'ouverture de soupape donnée l'onde effectue ce parcours de telle sorte qu'elle revienne à la soupape lors de son ouverture. L'interface ci-dessous permet de déterminer ces régimes. Les valeurs par défaut sont celles d'un moteur de 911 Carrera 3L2 préparé par JnL pour l'endurance tout-terrain, sur lequel les régimes de remplissage sont situés vers 3200, 4000 et 5500 trs/min :

2) Saisie des données :




2) Saisie des données :

Longueur des conduits : 0.40 m / Durée adm . : 278 deg. / Température adm. : 40 °C

Diamêtre des conduits : 35 mm / Température des conduits : 65°C

La longueur des conduits correspond à la distance entre le point générant l'onde (ouverture de soupape), noté P2 et le point auquel l'onde se réfléchit, P1. La température d'admission T° ADM est celle de la boîte à air. Si le moteur est bien implanté, cette température doit varier entre 20°C et 40°C pour un moteur atmosphérique, et entre 35°C et 70°C pour un moteur turbo. La température des conduits Tcond est une température moyenne des conduits d'admission (pipe, carbu/papillon, conduit de culasse). C'est une valeur approximative qui permet d'affiner le calcul de la célérité. Le diamêtre des conduits d'admission Diam Cond est aussi une valeur moyenne pour déterminer le réchauffement de l'air en fonction de la surface interne, ici aussi dans le but de pondérer la célérité.

3) Calcul des régimes de résonnances

Une fois les données saisies, cliquer sur le bouton 'Calculer' pour obtenir les résultats 'Régimes de résonnance' :

Régime 6 : 16339 trs/min / Régime 5 : 8169 trs/min Régime 4 : 5446 trs/min / Régime 3 : 4084 trs/min Régime 2 : 3267 trs/min / Régime 1 : 2723 trs/min

En conservant les valeurs par défaut, vous remarquerez un régime 4 à 5500 Trs/min. Ceci indique que le moteur dispose d'une plage d'utilisation relativement basse (régime maxi 7000 trs/min) pour un moteur de course.

4) Interprétation :




Sur la courbe ci-dessus (simulation JnL Software pour moteur Flat6), qui représente la pondération du taux de remplissage par les ondes en fonction du régime avec un conduit de 55 cm, on peut noter 4 régimes de résonnance. A ces régimes l'onde générée par les soupapes d'admission est en phase avec le déplacement de la colonne d'air à l'admission et crée un effet compresseur : l'air admis est véritablement poussé par cette onde. On notre ici un couple maxi prévisible aux alentours de 5000 trs/min.

La partie intéressante de cette courbe, qui indique les régimes moteur à retenir pour cette géométrie d'admission, est comprise dans la zone verte. On y a en effet un taux de remplissage supérieur, égal ou proche de 1.0, C'est à dire que dans un cylindre de volume unitaire Vu, au moins le même volume d'air frais (Vu*Tr, où Tr est le taux de remplissage au régime donné) pénètre dans le cylindre.

La partie rouge de la courbe indique que le moteur manque de remplissage, donc de couple, et ainsi de puissance à ces régimes. Avec une admission statique, ce phénomène est inévitable. Un moteur mieux conçu pourrait offrir avec une admission statique une plage d'utilisation du moteur de plus de 2000 Trs, par exemple de 4000 à 6200 Trs/min. Il est aussi envisageable de faire en sorte qu'aucun résonateur ne soit rencontré dans le système d'admission, de sorte qu'aucune onde ne vienne pondérer le remplissage.




5) Admission variable :

Une idée vient tout de suite à l'esprit : pourquoi ne pas rejoindre deux conduits d'admission de longueurs différentes, qui génèrent deux courbes de remplissage complémentaires ?

Un système de sélecteur par clapets permet de sélectionner le conduit idéal pour le régime courant. C'est ainsi que fonctionnent les admissions variables que l'on peut trouver sur les moteurs Porsche utilisant la technologie VarioRam, même si ce système ne semble changer de conduit qu'à un seul régime pour la 993 (aux alentours de 4000 Trs) :




Ci-dessus : moteur de 993 mettant en évidence les deux conduits du VarioRam.



Cette dernière courbe est donc le résultat illustratif d'une admission variable de type VarioRam, qui génère un accord quasi-optimal. On comprend très vite l'intérêt d'un tel système, aussi compliqué à mettre en oeuvre soit-il ! On peut d'ailleurs noté que Porsche s'est débarassé du VarioRam sur la 996, préférant moduler les volumes de plénum pour lisser la courbe de couple.

Le taux de remplissage est optimal sur une large plage. On peut toutefois remarquer que celui-ci grimpe d'abord avec le régime pour chuter ensuite : A bas régime, l'air dans les conduits d'admission, même s'il est en phase avec les ondes 'de compression', n'a pas assez de vitesse pour favoriser un remplissage correct (manque d'inertie de la colonne gazeuse) : les conduits ont une section trop importante, même si on sait modérer l'ouverture des soupapes grâce au système VarioCam. Cette courbe est à ce propos TRES optimiste dans les bas régime.

A haut régime (au delà de 7500 trs/min), la section des conduits devient au contraire trop petite. La vitesse de la colonne gazeuse dépasse 120 m/s. Elle chauffe, crée surtout de fortes turbulences, puis les ondes qui participaient au remplissage deviennent chaotiques et on perd substantiellement en remplissage.

Rien ne nous empêcherait donc d'aller plus loin et de considérer une admission avec des soupapes de diamètres différents alimentées par des conduits de sections et longueurs différentes...venant alimenter un moteur bénéficiant du VarioCam : je vous laisse le soin de la conception, et surtout de la réalisation !

Remerciements à Snoopy pour cet article .


 
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