Remplissage, perméabilité et lois de levée de soupapes - Partie I -
13 mai 2007
780 chevaux c’est vraisemblablement la puissance atteinte par les meilleurs V8 de F1 actuels. Auparavant certains V10 s’approchaient des 1000ch! Pour atteindre de tels niveaux de puissance avec un moteur atmosphérique les ingénieurs motoriste ont du beaucoup travailler dans de nombreux domaines. Mais il en est un qui est au cœur même de cette performance: le remplissage.
Pour comprendre comment les motoristes ont réussi à atteindre un tel niveau de performance, partons d’une formule de base connue de tous:
En F1 les motoristes cherchent avant tout de la puissance (n’oublions pas que les paramètres comme la consommation ou la plage de fonctionnement restent importants). Pour ce faire ils n’avaient donc que deux possibilités. La première c’est l’augmentation du couple. Celui-ci étant directement fonction du remplissage il fallait trouver un moyen pour l’augmenter. Ce fut chose faite avec l’arrivée du turbocompresseur en F1 grâce à Renault. Avec des pressions à l’admission dépassant les 4 bars absolus il était “aisé” de dépasser les 1000ch. Avec la fin du turbo en F1 et les moteurs atmosphériques les ingénieurs se tournèrent vers la seconde solution: l’augmentation du régime. Cette seconde solution est loin d’être la plus simple et nous allons voir pourquoi tout au long de cet article.
I- PERMEABILITE
Nous allons maintenant découvrir ce qu’on appelle la perméabilité et pourquoi elle est fondamentale sur un moteur atmosphérique haute performance. Avant de voir qu’est ce que la perméabilité à proprement dit, revenons sur le remplissage. Le taux remplissage s’écrit:
C’est le rapport de la masse de mélange effectivement introduite dans le cylindre (mréel) sur la masse de mélange correspondant à la Cylindrée unitaire dans des conditions normales de températures et de pression (mthéorique). En fonctionnement le taux de remplissage est généralement inférieur à 1. Ceci est du aux pertes de charges générées par le filtre à air, le conduit en lui-même, les soupapes mais aussi et surtout le papillon d’admission. C’est justement en faisant varier le remplissage par l’intermédiaire des pertes de charges générées par le papillon d’admission que l’on régule la puissance demandée (en agissant sur le remplissage). Le taux de remplissage peut toutefois être supérieur à 1 à des régimes bien précis grâce aux phénomènes d’ondes à l’admission (voir article “Suralimentation naturelle”). Ainsi un moteur délivre sa puissance maxi à pleine charge, c’est-à-dire à pleine ouverture papillon. Les pertes de charges sont alors réduites à leur minimum et la pression d’admission est égale à la pression atmosphérique, d’où l’appellation.
Voyons donc maintenant comment décrire le phénomène de pertes de charge à l’admission.
Pour mettre en évidence les pertes de charges à l’admission de façon mathématique une simple formule de Bernoulli suffit. Ecrivons celle-ci entre l’air libre et la chapelle de soupape, respectivement les points “Ext” et “Ch”:
On simplifie l’expression:
La pression extérieure étant égale à la pression atmosphérique on peut écrire:
Etudions maintenant le phénomène entre la chapelle de soupape et l’intérieur du cylindre en utilisant l’équation de continuité du débit massique entre le conduit et le cylindre:
En simplifiant la vitesse instantanée du piston à sa vitesse moyenne qui s’écrit:
Avec la vitesse moyenne du piston en m/s, C la course en mm et N le régime moteur en tr/min.
Si on remplace l’expression de la vitesse du piston dans la formule précédente on obtient:
On remplace l’écriture de la vitesse de l’air à l’admission dans l’équation de la perte de charge:
On pose:
On obtient:
Cette expression porte une problématique aussi simple à mettre en évidence que complexe à résoudre. En effet on voit que les pertes de charges sont proportionnelles au carré du régime! Ainsi plus on va chercher à tourner vite pour aller chercher de la puissance et plus il sera difficile de remplir le cylindre et donc de garder un couple permettant de tirer profit de l’augmentation de régime. On retrouve ici notre point de départ qui était l’équation:
Les ingénieurs motoristes n’avaient dés lors qu’à se pencher sur leurs tables à dessins pour réduire au maximum les pertes de charges à l’admission afin de pouvoir aller chercher la puissance maximale.
Les solutions n’ont rien de révolutionnaire, mais comme souvent en F1 elles vont aller chercher l’extrême limite en terme de conception. Les conduits sont ultra courts et quasiment droits afin de réduire respectivement les pertes de charges linéaires et singulières. Les conduits sont oblong et non plus rond afin d’augmenter au maximum la section de passage. Un travail important est réalisé sur les papillons qui même en pleine ouverture génèrent une perte, qui aussi faible soit elle, n’en reste pas moins une perte. Toyota a d’ailleurs développé des papillons constitués d’éléments de parois de conduits mobiles! A pleine ouverture rien ne dépasse. Malheureusement impossible d’avoir des images, quoique les moteurs visibles par exemples au Salon de l’auto de Paris ne cachent pas ces détails.
II- MESURE DE PERMEABILITE
On sait maintenant ce qu’est le remplissage au sens large du terme mais voyons maintenant qu’est ce que la perméabilité. C’est tout simplement la capacité du moteur à laisser s’écouler facilement les gaz à travers le système d’admission. Plus une culasse est perméable et plus les gaz s’écoulent facilement, ce qui implique que les pertes de charges sont faibles.
La perméabilité définit en quelque sorte la qualité aérodynamique d’une culasse. Ainsi mesurer la perméabilité consiste tout simplement à mesurer les pertes de charges dans celle-ci pour différentes levées de soupapes.
Img 1: Banc de mesure aérodynamique pour culasse
Le banc ci-dessus permet de mesurer la perméabilité et de quantifier les améliorations liées par exemple à la modification du dessin de la tulipe de soupape ou des conduits. Ce banc est tout simplement une soufflerie dédiée à l’étude des conduits d’admission mais aussi d’échappement.
On peut également faire ces mesures de façon numérique en utilisant des logiciels de calcul tel Fluent ou Star CD. Toutefois la qualité des résultats n’est pas suffisante pour s’en contenter, la mesure directe sur banc reste plus que jamais d’actualité.
Img 2: Etude de l’écoulement des gaz sur un moteur conçu pour la course Marathon Shell (Etude réalisée au centre de calcul de l’ENI de Metz)
Regardons maintenant dans le détail quelle forme prend la section de passage de gaz à la soupape. Elle prend la forme d’une portion de cône. Bien évidemment ses dimensions changent avec la levée de soupape mais on peut facilement calculer la section de passage théorique.
Img 3: Forme prise par la section de passage minimale des gaz
Img 4: Détail de la section de passage des gaz
Grâce au banc de mesure présenté précédemment on peut recalculer une section débitante réelle. Cette section dite réelle prend bien évidemment en compte les phénomènes de pertes de charge. On calcule ensuite une section débitante théorique à partir des données géométriques. On finit par tracer des courbes qui présentent l’évolution de la section débitante réelle en fonction de la levée de soupape. Voici la comparaison des courbes théoriques et pratiques:
Graph 1: Evolution de la section débitante des gaz en fonction de la levée de soupape
On voit que la courbe théorique se décompose en deux parties. Logiquement plus la soupape décolle de son siège et plus la section de passage des gaz augmente et ce de façon linéaire, c’est la première partie. La section débitante atteint alors un maximum au delà du quel l’augmentation de la levée de soupape n’a plus d’effet sur la section débitante. C’est tout simplement le conduit et les pertes générés dans celui-ci qui définissent cette limite.
La première partie de la courbe est donc liée à la section de passage au niveau du siège de la soupape alors que la seconde partie est liée au conduit d’admission en lui même. On peut ainsi définir un coefficient de perméabilité du siège de soupape et un autre coefficient pour la perméabilité du conduit.
Graph 2: Evolution des deux coefficients en fonction de la levée de soupape
Grâce à une telle étude on peut non seulement mesurer mais aussi quantifier l’amélioration des performances inhérentes à une modification sur le conduit ou la soupape. Ce qui permet également de savoir quel point est pénalisant pour les performances et donc de le retravailler.
Mais revenons maintenant au moteur de F1. On l’a dit au début de cet article, pour obtenir des puissances au litre aussi importantes sur un moteur atmosphérique il était nécessaire d’augmenter le régime de fonctionnement. Mais l’augmentation de puissance n’est possible que si en plus de l’augmentation du régime on réussit à garder un certain niveau de couple. On l’a dit le couple est l’image du remplissage! Et si on reprend la formule de base des pertes de charges:
Avec j les pertes, λ le coefficient de perte de charges, ρ la masse volumique du fluide et V la vitesse du fluide.
On rappelle que les pertes de charges augmentent avec le carré de la vitesse d’écoulement! C’est pour cela que la perméabilité et donc le remplissage constituent un problème critique sur un moteur de F1.
Nous verrons dans la seconde partie de cet article comment on tire partie de ce travail sur la perméabilité au niveau de la conception des lois de levées de soupapes qui régissent en très grande partie les performances d’un moteur.
Pour être accessible au plus grand nombre de lecteurs, de nombreux points sont simplifiés ou passés sous silence. La démonstration est simple, voir simpliste pour les plus aguerris.
©Filipe MARINHO
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17 Commentaires Ajoutez le votre.
1. lolo | 14 mai 2007 à 9:57
Très bien cette article.
Je pense que l’on pourrais ajouter l’effet de l’energie cinétique de l’air sur le remplissage et la détermination du RFA.
Cela permet de mieux comprendre le choix des sections de passage optimum en fonction des courbe de puissance voulues.
2. Filipe | 15 mai 2007 à 18:29
Merci Lolo. Concernant ta remarque il me semble que les points que tu évoques sont expliqué (et ont plus leurs places) dans le sujet “Epure de distribution”. Il est difficile de ne pas aller trop loin dans les explications pour rester concis.
Il y a par contre une petite erreur dans les formules je corrige ça dès que possible.
3. Pascal | 23 mai 2007 à 21:22
Bonsoir, et merci pour ces super articles !
Comment faites-vous pour distinguer le coefficient de perméabilité dû à la soupape et celui dû au conduit à partir de la courbe expérimentale ?
Bonne continuation !
4. lolo | 31 mai 2007 à 10:38
Très bonne question, mon avis :
La perméabilité dû à la soupape tend vers 1 en levé maxi. Donc le coef de perméabilité du conduit + soupape sera sensiblement égale à la perméabilité du conduit seule à levée de soupape max (le mieux est de souffler la culasse sans la ou les soupapes pour bien isoler la perméabilité du conduit).
Cela te permet de tracer la droite ax+b de perméabilté du conduit seule en fonction de la levée de soupape (perméa cond = 1 pour l = 0).
Il est ensuite facile de déduire la part de perméabilité soupape à partir de la pérméabilité totale.
En espérant répondre à ta question
5. Rémy ANTONIN | 25 juin 2007 à 15:36
Bonjour,
Existe t’il des moteurs F1 ou existaient t’ils des moteurs F1 avec une cylindrée de 1200 cc3
Merci pour votre réponse et tous mes compliments
R. Antonin
6. Filipe Marinho | 24 juillet 2007 à 8:09
Bonjour Rémi
A ma connaissance il n’y a pas eu de moteur de F1 1,2l. Il me semble que le mini soit 1,5l sur les V6T. En tous cas pour ce que j’appellerais l’ère moderne de la F1. Ca reste à confirmer…
7. Guy Matindi | 08 septembre 2007 à 10:04
Bonjour Rémi,
Je voullais juste confirmer ce qu’a dit Felipe: la plus petite cylindrée connue en F1 était de 1,5 litre.
8. Spartan.dasheed | 25 septembre 2007 à 15:29
Article vraiment trés sympatique. Merci de l’avoir fait. J’espére en voir d’autres comme celui là.
Bravo
9. reduan | 23 novembre 2007 à 20:23
Je pense que grace à vous beaucoup de personne pourrons comprendre la notion de remplissage et de perte de charge , car il est tres bien réalise et expliqué avec un ordre bien precis et suffisament detaille . Bonne continuation si j ai des question je sais ou les pose grace à vous.
10. Blain J-Y | 03 février 2008 à 18:59
Bonjour
Ce site est très intéressant, j’y trouve ceci > ,sans doute pour limiter la puissance des moteurs, je me pose la question si tout type de précompression est interdit?.
Alors le moteur décrit sur le site http://monsite.orange.fr/moteur-thermique
n’a aucune chance de se retrouver sur F1?
Salutations
11. xavier | 27 mars 2008 à 22:43
quel est le taux de remplissage d’un moteur turbo compressé
avec la surpression 0,9 b a t’on un tx= 2
moteur diesel 6cy 2,8l
12. Erohares | 07 avril 2008 à 19:52
Salut !
Très interessants ces cours !! Ca faisait longtemps que je cherchait ca :p (et comme on a fait de la mecaflu je comprend en + ^^)
Par contre dans la partie I :
“C*N/30″ il manque pas un pi ? (2pi/60 pour convertir rpm en rad/s)
13. Jérôme | 26 avril 2008 à 22:37
Article très intéressant. Bravo pour ce travail.
Cependant, deux petites questions :
- La première concerne la formule de P_charge dans laquelle tout le terme “Psy” est censé être au carré et pas seulement le régime N.
- La seconde concerne également la formule finale de la perte de charge que tu écris comme étant : P_ext - P_ch - N².Psy
Ainsi pour moi, la perte de charge n’est pas proportionnelle au carré du régime comme affirmé mais je vois plutôt que la perte de charge diminue quand le régime augmente. Que pouvez-vous me dire là-dessus. Peut-être n’ai-je pas compris ?
Merci d’avance.
14. DEFAIVRE | 02 mai 2008 à 22:45
Bonjour,
chapeau pour vos articles que je découvre avec délice Deux questions m’intérressent particulièrement:
1 le phénomène de “vapor lock” se produit-il en F1?
2 L’état de surface des conduits d’admission doit-il être trés lisse (polissage) ou au contraire présenter des rugosités (les culasses sont des éléments issus de fonderie me semble t-il)?
merci
15. Darren | 01 décembre 2008 à 1:35
Wouldn’t be of an advantage to rid the port of the valve head,valve guide and ultimately the valve completely.
16. dimitri | 23 décembre 2008 à 19:36
Bonjour,
D’abord mes compliments pour la brillante explication du taux de remplissage des cylindres.
Je pense qu’il y a un élément supplémentaire à évoquer : c’est l’architecture même du moteur F1
(alessage-course)
A mon avis, pour que le moteur puisse tourner à un tel régime, cela doit plutôt ressembler à l’architecture
des moteurs de moto, avec la course plus courte que l’alessage.
Je n’ai trouvé nulle part de chiffres relatifs à l’architecture de ces moteurs F1.
Si vous avez une réponse, merci d’avance.
17. boulahia | 15 novembre 2009 à 13:45
comment les valuations des performances des moteurs combustion interne se fait dans les conditions climatiques xtrmes
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