Le 03-02-2006 à 22:52:48, Kabak_85 a écrit :
-> Petite présentation du topic :
- Avertissement légal.
- Avertissement compétence nécessaire.
- Avertissement sur le fait que ce topic sert de base et qu'il faudra adapter selon le moteur.
- Lien vers un sujet sur le principe de fonctionnement d'un moteur
-> Les modifications "simple" :
- Admission (filtre, Admission Multi-papillon ...)
- Echappement (collecteur 3Y en 4en1 pour les 4 cylindres, ligne)
- Allumage (à rupteur, choix des bougies, électronique, ...)
- Carburateur (double corps, taille et réglage)
- Injection (Re-programmation sur mesure, changement éventuellement d’injecteur, éventuellement de la pompe à essence)
-> Les modifications "profondes" :
- Arbre à cames, ressorts, soupapes
- Préparation culasse (forme de la chambre, rapport volumétrique, conduit...).
- Equipage mobile (piston renforce, vilebrequin, équilibrage, bielles, allégement ...)
- Autres éléments pour fiabiliser la prépa (pompe à huile, radiateur d'huile pour tourner sur circuit ...)
- Gain possible sur la boite de vitesse, comment augmenter son rendement, roulement de meilleur qualité, un radiateur d'huile de boite éventuellement pour le circuit.
I Petite présentation du topic :
Bienvenue à tous, 
Ce topic concerne la préparation des moteurs atmosphériques essence et va vous permettre d'acquérir des connaissances de base afin de vous lancer dans votre propre préparation.
Je rappelle que toute modification moteur d'un véhicule destiné à la voie publique est interdite sans homologation
En cas d'accident, votre assurance pourrait ne plus vous suivre. 
De plus, la préparation du moteur nécessite en général d'autres modifications du véhicule comme la modification du châssis, suspension, ... ceci afin de pouvoir exploiter sans risque ce surplus de puissance.
Pour se lancer dans une prépa, il faut bien comprendre le fonctionnement d'un moteur ( [cours] Fonctionnement d'un moteur ), savoir se salir les mains (vu que l'on démonte le moteur  ), avoir suffisamment d'outil et avoir de la rigueur (pour éviter les ennuis ).
Le gain de puissance fera que l'usure du moteur sera plus rapide. Donc il est essentiel d'en tenir compte (voir la partie sur la fiabilisation)
Nous allons diviser la section en 2 parties correspondant à des niveaux de difficultés différents.
II Les modifications "simple" :
- Admission (filtre, Admission Multi-papillon ...)
Pour fonctionner, un moteur aspire de l'air, dans lequel est vaporisé de l'essence (Grâce à un ou plusieurs carburateurs ou un système d’injection avec un ou plusieurs injecteur).
Ce mélange air/essence va être enflammé par les bougies et brûlé dans le moteur ce qui va augmenter la pression dans le cylindre et produire une force mécanique sur le piston.
Plus la masse de mélange admis est importante, plus la combustion de celle-ci augmentera la pression et donc plus l'on aura de force mécanique (donc gain en couple sur ces plages de régime).
La masse du mélange dépend de trois facteurs : sa température, son volume et sa pression. Dans le cas d'un moteur atmosphérique, on ne peut pas jouer énormément jouer sur la pression car elle est limité par la pression atmosphérique.
On a donc intérêt à faire rentrer le plus gros volume de mélange dans la chambre de combustion avec la plus grande pression possible, et ce à la température la plus basse possible.
Comme on peut régler facilement la quantité d'essence en fonction de la quantité d'air, il est surtout important de faciliter au maximum le passage de cet air jusqu'aux cylindres en évitant au maximum :
- les changements de section
- les coudes et les raccords,
- les frottements fluides (conduits sous-dimensionnés, état de surface des parois trop rugueux, etc. ...).
De plus il s'agit de prendre cet air à la température la plus proche possible de celle de l'air ambiant.
Un conduit de plus gros diamètre freine moins l’air qu’un conduit de diamètre plus faible. Le piège est de prendre des conduits trop gros.
En effet, si les conduits sont trop petits ou trop gros par rapport au conduit précédent et/ou suivant, cela formera des « marches ». Des tourbillons vont se former ce qui entraînera des pertes importantes.
Si on ne peut éviter les « marches » (décrochage), il faudra essayer de les orienter et de les réduirent afin de les rendrent moins gênante.
Comme il faut améliorer l'écoulement des gaz dans le collecteur, il faut supprimé tout ce qui pourrait perturber le passage du gaz sans pour autant tomber dans le polissage des conduits (En fait, il y a "2 écoles", l'une qui préconise le polissage car il y aurais moins de frottement et l'autre qui préconise une surface légèrement rugueuse pour éviter le décollement de l'air).
Le diamètre des conduits est aussi important mais on en reparlera dans la partie accord de l’admission.
Pour optimiser le remplissage, il existe plusieurs solutions :
- Le kit d'admission dynamique :
Dans certains cas, ces kits proposent des filtres d'une surface supérieure et/ou une résistance au passage de l'air plus faible. Le fait de prendre de l'air à l'avant du véhicule assure une température proche de celle de l'air ambiant ce qui augmente la densité de celui-ci et donc le remplissage du cylindre.
Exemple d'admission dynamique :
Contrairement à une idée reçue, si ce type d'admission dynamique permet des gains intéressants sur des voitures de compétition à l'aérodynamique très étudiée, sur les voitures de série, l'effet de la vitesse de la voiture sur l'air aspiré n'est pas suffisant pour améliorer de façon perceptible le remplissage du moteur.
Attention au bruit d'aspiration, qui peut être important et à l'encrassement du filtre lors de journées sous la pluie
Inconvénients:
La modification de la longueur et de la géométrie des conduits d'air peut amener une perte au niveau de l'accord acoustique. Ce phénomène, étudié par les concepteurs du moteur, permet d'augmenter le remplissage du moteur en particulier aux bas et moyens régimes. On risque donc d'avoir un moteur moins disponible pour effectuer des reprises.
D'autre part, si l'implantation de la prise d'air se fait près du sol, on augmentera de façon très importante la salissure du filtre.
- L'admission multi-papillon :
L'admission multi-papillon est utilisé sur les moteurs de F1 et de dragster.
Ce système n'amène pas une surface de filtration plus importante. Par contre:
- Il offre une section de passage des gaz au niveau des papillons beaucoup plus importante, puisque chaque cylindre est alimenté par un papillon individuel.
- Il diminue de façon importante les perturbations du flux d'air provoquées par les ondes de pression générées au niveau de soupapes d'admission. En effet, dans un collecteur unique, ces différentes perturbations s'entrechoquent et se gênent mutuellement, alors que dans notre cas, le collecteur étant généralement plus volumineux et placé avant les papillons, ces phénomènes sont très atténués.
De plus, les admissions à papillons multiples permettent un accord acoustique très fin de chaque cylindre, ce qui permet d'améliorer de façon très importante leur remplissage. Cependant, cette opération d'accord est très pointue et nécessite du matériel et une connaissance certaine.
C'est le principe des carburateurs à corps multiples, qui ont exactement le même principe de fonctionnement (un papillon par cylindre).
- L'accord de l'admission :
On a et on va parlé plusieurs fois d'accord, en fait l'accord permet d'exploiter les phénomènes de résonance, de reflux et d'inertie afin d'améliorer le remplissage.
Il faut savoir que cet accord dépend de la longueur et du diamètre des tuyaux.
Le diamètre de celui-ci joue sur le débit qui joue sur l'inertie.
Souvent on est tenté de mettre des gros conduit car ça évacue mieux, mais ça pose un problème car les gaz perdent de la vitesse et donc ont moins d'inertie donc le phénomène d'accord est atténué.
Par contre, des conduits trop petit amenent vite à une vitesse limite (autour des 100m/s) qui va se traduire par des frottements aérodynamique trop important et donc une dégradation du remplissage.
Une fois le diamètre déterminé, on peux donc déterminer la longueur nécessaire pour réaliser l'accord.
- Carburateur (double corps, taille et réglage)
Le carburateur est l'élément qui permet de créer le mélange air/essence qui alimente le moteur et de réguler l'arrivé de ce mélange (et donc la puissance produite).
Quelque soit leurs nombres sur un moteur atmosphérique, il fonctionne tous de la même façon.
Voila le schéma d'un carburateur simple.
Sur ce schéma, on voit :
- Le papillon (n° 1)
- Le gicleur principal (n° 2)
- Le "venturi" (n° 3)
Le papillon permet de limiter l'arrivée du mélange air/essence dans le moteur et donc va réguler la puissance (sans ça, le moteur s’emballerai).
Le gicleur principal est placé dans une zone appelée venturi qui va créer une dépression. Cette dépression va aspirer de l'air à travers le gicleur principal qui va créer un mélange air/essence grâce au tube d'émulsion.
Le problème de ce type de carburateur simple est que les proportions du mélange ne sont idéal que dans une plage de régime limitée et non lors des transitions (accélération, ralenti ...).
Si l'aspiration n'est pas assez forte (faible régime par exemple), le mélange sera pauvre car l'air n'entraînera plus suffisamment d'essence. Il a donc fallu remédier à ce problème et donc on a complexifié les carburateurs.
Selon les carburateurs, leurs fonctionnement différent mais on retrouve des point commun parfois.
En général, il y a un gicleur qui sert lors de la phase de ralenti et de bas régime.
Ce gicleur se trouve dans un canal qui débouche de chaque coté du papillon en position ralenti.
Lorsque le moteur est au ralenti, l'air va être aspiré dans ce petit canal ce qui va aspirer de l'essence.
Le débit en air et/ou en essence de celui-ci est réglable grâce à une vis (pointeau) qui va obstruer en parti le passage de l'air ou du carburant (selon le cas) ce qui va permettre d'enrichir ou d'appauvrir le mélange au ralenti.
Ce gicleur ne fonctionne que lorsque le papillon est presque fermé. Sur certains carburateur, on ne peux régler que la quantité de carburant qui traverse ce gicleur et c'est le papillon qui apporte l'air grâce a une petite vis de buté (vis de ralenti).
Il reste le gicleur dédié à la phase d'accélération. En effet, lorsque l'on accélère, on va ouvrir brusquement le papillon et le débit de l'air va brusquement augmenter.
Le problème est que le carburant, plus lourd que l'air, va mettre un peu plus de temps à arriver ce qui donnera un mélange pauvre donc de mauvaises reprises.
Pour éviter ça, le carburateur dispose d'une pompe de reprise.
Lorsque que l'on va ouvrir le papillon, on va aussi pousser (via une biellette) un piston qui va injecter un surplus d'essence pour enrichir le mélange.
Dans un carburateur, on peut changer le diamètre des gicleurs, des buses et des tubes d'émulsions (mélange de l'air et de l'essence) afin de l'adapter aux moteurs.
Il existe pour chaque type et marque de carburateur des calculs qui permettent de déterminer les diamètres à choisir (mettre des liens).
Il faut aussi choisir le diamètre du venturi.
En effet, plus on va monter dans les régimes, plus le moteur réclamera d'air.
Hors si le diamètre du venturi est trop faible, on va limiter le débit d'air donc la puissance maxi.
On peut donc penser qu'il est mieux de mettre un « gros carbu » alors. Mais ce n’est pas forcement mieux.
Si le diamètre est trop élevé, on aura plus assez de dépression à bas régime ce qui empêchera le gicleur de bien fonctionner et qui fera perdre de la puissance à bas et moyen régime.
Il faut aussi savoir que les gicleurs s'enclenchent et se déclenchent progressivement ce qui peut poser des problèmes de richesse à certains débits d'air.
Le carburateur double corps asymétrique à été créé afin de palier à ce problème.
Photo d'un carburateur simple corps (gauche) et doubles corps asymétrique (droite) :
 
A bas et moyen régime, le carburateur fonctionne comme un carburateur classique. Dés que l'on dépasse un certain régime ou une certaine ouverture du premier corps (cf. les solex double corps à ouverture différentielle sur les XU 5 PSA de moyenne gamme (405 GR, BX 16 TRS, 305 GT...)), le deuxième corps s'ouvre.
Il y a donc deux méthodes pour ouvrir le second corps.
La première est d'utiliser une capsule à dépression pour ouvrir le second corps.
La seconde méthode utilise l'accélérateur de façon à ouvrir le second corps si le papillon du premier corps est complètement ouvert.
Le second corps contient un venturi et un gicleur. Lorsqu'il s'ouvre, le carburateur se comporte comme un carburateur plus gros car on cumule le débit des 2 corps ce qui permet d'exploiter les haut régimes.
Lors de l'utilisation de plusieurs carburateurs sur un même moteur, il faut les synchroniser (afin d'avoir les papillons dans la même position) et les régler simultanément.
Exemple de carburateur double corps (s'utilise par pair sur un 4 cylindres) :
- Injection (Re-programmation sur mesure, changement éventuellement d’injecteur, éventuellement de la pompe à essence)
Les principaux avantages de l’injection sont :
- Pulvérisation plus fine
- Mélange air/essence plus précis
- Pas de venturi
Par contre, ce système à un gros inconvénient : sa complexité.
Comme l’injection permet une pulvérisation plus fine, la combustion de l’essence sera meilleur.
Cela va amener un gain en améliorant la combustion, donc le couple et la puissance disponible.
De plus, il n’est plus nécessaire de créer une dépression (à l’aide d’un venturi) ce qui permet encore d’améliorer le remplissage en évitant les perturbation aérodynamique.
Enfin, le fait de pouvoir régler précisément le mélange air/essence permet d’avoir le maximum de puissance pour chaque régime.
La quantité de carburant injecté est calculée grâce aux informations de plusieurs sondes :
- Température air
- Température eau
- Pression admission
- Débit d’air
- Sonde lambda
- Capteur de vitesse de rotation
Les meilleures performances seront obtenues en liant les avantages de l'injection et de l'admission multi-papillon.
Exemples :
Voila de quoi est constitué un injecteur essence (pour les moteurs diesel c'est different) :
Le principe de fonctionnement est relativement simple. Au repos, l'aiguille (2) est poussé par le ressort (3) contre le corp de l'injecteur. Quand on a besoin d'injecter du carburant, on fait passer un courant electrique dans la bobine (5) qui va créer un champ magnétique et donc attirer un noyaux magnetique (4) ainsi que l'aiguille laissant passer le carburant.
De part le mode de fonctionnement, il est très difficile de demander à l'injecteur un débit précis et il est donc plus simple de jouer sur la durée de l'injection.
Le mélange air/essence est calculé en utilisant la température de l'air et du volume qui entre. Ce volume est déterminé par la vitesse du moteur et de la pression dans l'admission ou encore par un débitmètre et la vitesse du moteur. Avec la quantité de carburant calculé, on peux calculer la durée d'injection et pour ça, on a besoin de connaître le débit des injecteurs qui varient en fonction de la pression d'injection et de leur dimension.
On s'arrange donc pour maintenir la pression d'injection à la même pression relative par rapport à la pression dans l'admission pour simplifier le systeme.
Le temps d'injection étant dépendant de la taille des injecteurs et de la pression de la rampe d'injection, il est parfois utile d'augmenter la pression d'injection voir de changer les injecteurs de façon à avoir un débit suffisant pour que les injections se terminent au bon moment.
Le choix de la pression et des injecteurs est donc la aussi primordial (comme pour la taille des carburateurs). Si les injecteurs sont trop petit, le calculateur devra injecter longtemps et le moteur ne sera pas suffisamment alimenté en carburant, mais si on utilise des injecteurs trop gros, le temps d'injection sera tellement réduit que le mélange ne sera pas correcte.
Ce n'est pas non plus la peine de changer les injecteurs si le simple fait d'augmenter la pression d'essence peux permettre d’atteindre le débit désiré.
En effet, une pression augmenté diminue la taille des gouttes d'essence alors que l'augmentation du diamètre de l'injecteur à pression identique fait augmenter la taille de cette goutte.
Si les gouttes sont trop grosse, l'essence sera moins bien utilisé et donc la puissance ne sera pas maximale.
Il faut donc la aussi trouver le juste milieu. 
La sonde lambda permet au calculateur de contrôler que le mélange est fait de manière correcte et si ce n'est pas le cas, de corriger la valeur ou de créer une alerte (voyant défaut).
La proportion idéal du mélange air/essence est d'environs 15g/1g mais si on recherche la puissance, on va passer la proportion à 13/1 (accélération ou pied a fond) par exemple alors que pour consommer le moins possible on va utiliser une proportion de 18/1 (régime stabilisé et demande de puissance non maximale).
Il y a un gain pouvant allez de 5 à 10% entre la richesse idéale et la richesse de puissance.
La photographie suivante présente la coupe d'un plénum (marque JUN ici).
Le plénum permet d'exploiter le retour des ondes de pression afin d'optimiser la puissance sur une plage plus large. Le papillon est situé à l'entrée du plénum.
Ils existent la aussi la possibilité de reprogrammer le calculateur d'origine ou encore de le remplacer par un modèle spécialisé (gestion Sybelle par exemple) ou encore la construire (Exemple : Exemple : Megasquirt )
- Echappement (collecteur 3Y en 4en1 pour les 4cylindres , ligne)
Une fois le mélange air/essence brûlé, il faut l'évacuer. Le problème est que l'on ne vas pas laisser les gaz sortir comme ça car cela est très bruyant.
Les gaz vont donc être collecté et passé dans la ligne d'échappement afin d'atténuer le bruit et d'être dépolluer.
Souvent, les collecteurs d'origine sont conçu pour coûter le moins cher possible et être silencieux. Ils ne sont donc pas forcement optimisés pour le fonctionnement du moteur
Mais l'échappement n'a pas ces seules fonctions. On peut se servir de la détente des gaz dans le collecteur afin d'optimiser le fonctionnement du moteur. On retrouve donc notre phénomène d’accord complexifié par le fait que les gaz sont chaud et se refroidissent progressivement.
Les collecteurs "sport" sont étudiés pour que l'inertie des gaz qui sortent d'un cylindre produise une dépression qui va aider à vider le cylindre et par conséquent améliorer le remplissage du moteur et le rendement du moteur (moins de résistance à l'échappement donc moins de pression dans le cylindre et donc plus d'air frais rentrant dans le cylindre).
Si vous voulez voir l’effet de l’échappement sur un moteur, retirer le pot d’une mobylette (boucher vous les oreilles). Vous verrez que la vitesse maximale sera plus faible sans le pot (Les 2 temps sont particulièrement sensible à cet effet par rapport aux 4 temps).
Il existe plusieurs types de collecteur (pour les 4 cylindres en ligne):
- Le 4/1 est le plus simple.
Les échappements de chaque cylindre se rejoignent après une certaines distance. Cette distance modifie l'accord (fréquence de résonance) et donc la plage régime dans laquelle le gain sera obtenu.
Comme ce type de collecteur ne favorise qu'une plage de régime, en général, on cherche à améliorer la puissance maximum ou alors combler un « trou ».
- Le 4/2/1 (ou 3Y) quand à lui possèdent 2 accords différents ce qui le rend plus délicat à concevoir.
Voici deux collecteurs 3Y dont l'un plus poussé que l'autre (pour un manque de place ici) :
On a un premier accord qui est créé par la liaison entre l'échappement de deux cylindres entre eux. Le second accord sera quand à lui donné par la liaison des 2 Y précédent.
Le fait d'avoir 2 accords permet d'avoir un gain mieux réparti sur tous les régimes. Par contre, le gain sera plus faible.
Exemple de gain obtenu grâce à un collecteur 4/2/1 bien étudié :
Mais installer un collecteur seul va peut-être poser un problème au niveau de la ligne d'échappement. Il faudra donc adapter son diamètre à celui du collecteur, mais aussi les constituant de la ligne qui ont aussi une influence sur l'accord (distance des différents silencieux).
- Allumage (à rupteur, choix des bougies, électronique, ...)
L'allumage permet d'enflammer le mélange air/essence. Pour cela, on utilise une bobine qui va permettre une Haute Tension (pointe de tension à environ 30 000V) afin de créer un arc électrique au niveau de la bougie.
Pour créer cette étincelle, il va falloir charger la bobine. Pour ça on va faire circuler un courant électrique. Puis on va couper brusquement le courant.
A ce moment la, l'énergie emmagasiné sous forme magnétique va passer dans la bobine secondaire et créer la HT.
La durée de la charge est appelé "Temps de conduction de la bobine" (ou Dwell). Celui-ci est constant (environ 2,5ms).
Le mélange va mettre un certain temps avant de brûler. Il faut donc l'allumer avant que le piston ne soit au PMH et faire en sorte que la pression soit maximale pendant la descente du piston, lorsque le vilebrequin et la bielle forment un angle droit.
Comme il faut enflammer le mélange en avance, on appelle ça l'avance à l'allumage. Celui-ci est exprimé en degrés et augmente avec la vitesse de rotation.
Si l'avance est trop faible, la pression n'est pas maximum au meilleur moment (perte de puissance), la combustion peut se terminer dans l'échappement (dégât possible) ou encore le mélange peut s'enflammer seul après un délai appelé délai d'auto-inflammation. Ce délais augmente avec l'augmentation de l'indice d'octane. Un indice d'octane plus élevé permet de mieux contrôler la combustion (d'où l'utilisation d'octane 98 ou plus dans les moteurs "sportif" ).
Si l'avance est trop élevée, le moteur peut cliqueter (auto-allumage dû, à la pression) et faire chauffer et forcer inutilement certaines pièces ce qui peut endommager le moteur.
La combustion du mélange air/essence dépend de la richesse du mélange, de sa température et du remplissage des cylindres.
Un mélange air/essence plus dense (remplissage) créera un front de flamme plus rapide.
Cette avance étant déterminée par le remplissage, la vitesse de rotation, la richesse et la température, il a fallu trouver des moyens pour allumer le mélange au bon moment.
Cet allumage utilise un rupteur (petit interrupteur) afin de créer la charge de la bobine et produire l'arc électrique.
Cet allumage possèdent une avance centrifuge ce qui permet de modifier l'avance en fonction du régime moteur. De plus, ils possèdent une capsule à dépression qui permet de faire varier l'avance en fonction de la pression (donc du remplissage).
Ce type d'allumage peut-être assisté par un transistor (allumage transistorisé) et le rupteur remplacé par un capteur inductif ou optique (ne s'use pas).
Ses principaux inconvénients sont que la charge de la bobine n'est pas constante ce qui peut produire des ratés d'allumage à hauts régimes ainsi que les réglages qui sont à refaire assez souvent à cause de l'usure.
- L'allumage électronique :
Cet allumage à fait sont apparition vers la fin années 80 (pas sur de moi ) grâce à la démocratisation de la micro-informatique.
Cette allumage permet d'obtenir des performances plus élevé car on peut utiliser plus de paramètres (températures moteur + air, Pression tubulure, Régime et position moteur, Capteur de cliquetis, état de la climatisation, ...) et donc avoir des courbes d'avance plus complexes et plus précise grâce aux cartographies et aux calculs.
Lors de la préparation, on va modifier un certains nombres de paramètre moteur, il sera donc utile de régler ou de reprogrammer l'allumage afin d'obtenir le maximum des modifications.
Pour régler un allumage "classique", on peut modifier l'avance initiale et l’angle Dwell, mais on peut aussi modifier l'influence de l'avance centrifuge ainsi que celle de la capsule à dépression en remplaçant certaines pièces (ressort je crois ).
Pour reprogrammer, il existe plusieurs méthodes.
On peut reprogrammer certains calculateurs par la prise diagnostique. Sur d'autres, il faudra directement reprogrammer une rom et remplacer celle d'origine ce qui nécessite de démonter le calculateur.
Il existe aussi sur Internet des calculateurs d'allumages qui ont été construit
par des amateurs et qui permettent de mettre un calculateur sur une voiture qui n'en possèdent pas (Exemple : Allumage programmable pour Super 5 GT turbo ).
En général, on modifie les courbes d'avance, mais on peut aussi modifier le Dwell si on change la(les) bobine(s) par des modèles plus performant (Moins de ratées à haut-régimes).
III Les modifications "profondes" :
- Arbre à cames, ressorts, soupapes
- Préparation culasse (forme de la chambre, rapport volumétrique,
conduit...).
- Equipage mobile (piston renforce, vilebrequin, équilibrage, bielles, allégement ...)
- Autres éléments pour fiabiliser la prépa (pompe à huile, radiateur d'huile pour tourner sur circuit ...)
- Gain possible sur la boite de vitesse, comment augmenter son rendement, roulement de meilleur qualité, un radiateur d'huile de boite éventuellement pour le circuit
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