Technique : Plus il y a de cylindres, mieux c'est ?

Technique : Plus il y a de cylindres, mieux c'est ?

Mais je vais commencer par la conclusion finale avant de fournir le raisonnement pour les pourquoi. Si vous voulez concevoir un moteur très puissant, il est préférable d'utiliser le plus grand nombre de cylindres possible. Si vous voulez un moteur efficace, il est préférable d'utiliser une configuration avec le moins de cylindres possible, le tout pour une cylindrée fixe.

Rapport diamètre/course

La première étape pour l'ingénieur consiste à choisir la cylindrée unitaire et le rapport alésage/course.

Mais pourquoi un moteur avec plus de cylindres est-il meilleur pour plus de puissance ? Commençons par un facteur fixe : nous comparons des moteurs de cylindrée totale identique.


Lors de la conception d'un moteur, la première chose à déterminer est le diamètre des cylindres et la course que l'on veut donner aux pistons. Vous pouvez obtenir la même cylindrée totale du moteur de plusieurs façons. Par exemple, vous pouvez obtenir une cylindrée de deux litres et demi entre quatre cylindres (avec des cylindres de 625 centimètres cubes chacun), ou vous pouvez l'obtenir avec dix cylindres (avec des cylindres de 250 centimètres cubes chacun).

La détermination de la cylindrée unitaire de chaque cylindre vous amènera à devoir choisir le rapport alésage/course que vous souhaitez pour chaque cylindre.

À l'origine, la conception typique des moteurs à combustion interne, après leur invention, était d'avoir une course (le déplacement vertical total du piston) considérablement plus longue que l'alésage du piston. Mais petit à petit, ce rapport a changé.

Au fil des ans, on est parvenu √† une proportion √©gale (moteurs carr√©s) et √† l'autre extr√™me, les moteurs dits super-carr√©s, o√Ļ le diam√®tre du piston est sup√©rieur √† la course verticale du piston (la course).


Il existe une infinité de combinaisons possibles entre le diamètre et la course, mais il y a des extrêmes qui limitent tout cela. D'une part, la course ne doit pas dépasser 2,2 fois le diamètre du piston (c'est la limite pour un moteur diesel marin, les camions utilisent environ 1,3 fois la course par unité de diamètre). À l'autre extrême, le diamètre du piston ne doit jamais être supérieur à 2,2 fois la course dans un moteur super-carré (c'est l'extrême utilisé par la Formule 1).

Les avantages d'un moteur carré ou super-carré sont que, pour une même cylindrée unitaire, il offre plus de surface disponible pour placer les soupapes. Il offre également moins de friction au déplacement du piston dans son mouvement de course. Ces deux facteurs permettent à ces moteurs de tourner à des régimes très élevés.

En revanche, ils pr√©sentent un inconv√©nient. En ayant un tel diam√®tre, ces cylindres carr√©s ou super-carr√©s offrent des pertes thermiques plus importantes (une moindre partie de l'√©nergie de l'explosion du carburant est convertie en mouvement du vilebrequin), et aggravent √©galement le temps total n√©cessaire √† la combustion (le front de flamme lorsque l'essence commence √† br√Ľler doit parcourir une plus grande distance pour achever la combustion de l'ensemble du m√©lange). L'extr√©mit√© de la tige et les roulements de l'extr√©mit√© de la tige souffrent √©galement davantage avec ces conceptions.

Les moteurs à longue course, quant à eux, offrent une chambre de combustion plus compacte. Cela signifie moins de pertes thermiques, un meilleur rendement, mais aussi plus de friction (plus de course du piston), et il n'est pas possible de monter des soupapes aussi grandes, ce qui limite la vitesse de rotation du moteur.


En d√©finitive, il faut trouver un juste milieu dans les moteurs, dict√© par le client cible qui va utiliser la voiture. Les moteurs carr√©s ou super-carr√©s sont destin√©s aux voitures performantes, tandis que les moteurs √† longue course conviennent mieux aux voitures o√Ļ le client recherche plus de couple, plus d'efficacit√© et moins de r√©ponse √† l'acc√©l√©rateur.

Et maintenant, nous passons au comptage des cylindres

Le fait est que, lorsque vous recherchez la puissance maximale possible, vous devez opter, comme nous l'avons déjà expliqué, pour un moteur à temps court, un moteur de conception supercarrée. La taille de la culasse est ainsi privilégiée, afin de permettre au cylindre de mieux respirer et de réduire les frottements.

Comme il existe une limitation du diamètre maximal que peut prendre un piston pour des raisons de temps nécessaire à la combustion du mélange sur un piston trop grand à moins de le fixer en utilisant plusieurs bougies par cylindre, pour trouver la puissance maximale pour une cylindrée donnée les ingénieurs sont obligés de maintenir la relation entre le diamètre et la course, sans tomber dans un moteur à longue course, pour ne pas perdre de puissance en utilisant toute la cylindrée disponible.

Cela les conduit à devoir ajouter des cylindres supplémentaires. Dans le cas de l'exemple que j'ai mis sur la table, l'ingénieur concepteur qui veut fabriquer un moteur de 2,5 litres ultra-puissant, cherchera à utiliser le rapport alésage/course optimal à la recherche de la puissance (alésage 1,2 fois plus grand que la course, pour les moteurs commerciaux fonctionnant à l'essence ordinaire). Limité par le diamètre maximal admissible pour un piston (environ 92 millimètres), l'ingénieur optera pour des cylindres d'environ un demi-litre (la taille standard, disons, en supposant une course d'environ 76,6 millimètres), ce qui l'amènera à choisir cinq cylindres comme meilleure solution pour un moteur de 2,5 litres.


Avec cette approche, la conception de ce supposé moteur serait déjà définie, et axée sur la puissance. Mais que se passe-t-il si nous changeons le nombre de cylindres ?

Si cet ingénieur voulait opter pour un moteur plus puissant, la meilleure solution pour trouver cette puissance supplémentaire est de faire tourner le moteur plus vite. Rappelez-vous, depuis que nous avons expliqué ce qu'était la puissance (ici) et ce qu'était le couple (ici), que la puissance est le résultat du couple du moteur multiplié par le nombre de tours du vilebrequin par unité de temps (tours par minute, par exemple).

La limite physique pour faire tourner un moteur rapidement r√©side dans l'inertie des √©l√©ments qui se d√©placent √† l'int√©rieur. En d'autres termes, la limite pour que ce moteur √† cinq cylindres puisse tourner √† plus de 8 000 tours (√† l'Ňďil) sera l'inertie de l'√©norme piston de 92 millim√®tres.

Dans le domaine de l'ing√©nierie, il existe des chiffres connus comme √©tant les limites pratiques √† partir desquelles les choses commencent √† mal tourner. En r√®gle g√©n√©rale, nous savons qu'un piston ne doit jamais d√©passer une vitesse lin√©aire maximale de 25 m√®tres par seconde. Si vous allez au-del√†, les choses commencent √† se g√Ęter, le vilebrequin, la bielle et le piston commencent √† se d√©former, ils peuvent toucher la culasse, les soupapes... Bref, c'est une catastrophe.

Pour rester en dessous de 25 mètres par seconde, il faut limiter la course des pistons. Comme vous pouvez déjà le penser, si nous réduisons la course, puisque le diamètre du piston y est directement lié (par le chiffre de 1,2 dans notre exemple), nous devrons réduire la cylindrée unitaire de chaque cylindre.

Un moteur avec de nombreux cylindres et un alésage important par rapport à une course courte offre une vitesse de rotation élevée, ce qui signifie plus de puissance.

Par conséquent, si nous réduisons la cylindrée unitaire, cela nous amènera à avoir plus de cylindres pour arriver à 2,5 litres. Au final, qu'est-ce que cela nous apporte ? Eh bien, nous avons tous les pistons qui bougent à moins de 25 mètres par seconde, mais avec le moteur qui tourne plus de fois par minute.

Comme nous avons, en théorie, le même couple pour la somme des combustions de tous les cylindres qu'auparavant, nous obtenons plus de puissance pour une cylindrée donnée.

Mais attention, il a un truc. On pourrait penser qu'il s'agit d'une panac√©e, mais avoir plus de cylindres implique d'autres aspects n√©gatifs, li√©s √† l'efficacit√©. Plus il y a de cylindres pour une cylindr√©e donn√©e, plus le moteur pr√©sente des frottements et des pertes de chaleur, de sorte que le couple extrait de cette cylindr√©e est inf√©rieur √† celui qui serait obtenu avec moins de cylindres. L'air et le carburant br√Ľl√©s sont moins bien utilis√©s.

Bien entendu, lorsque vous recherchez la puissance, cet aspect est secondaire : peu importe si vous obtenez moins de couple par rotation du vilebrequin, si en √©change vous pouvez obtenir plus de tours de vilebrequin par minute. Par exemple, il est pr√©f√©rable de ne tirer du moteur qu'un couple de 100 Nm mais de disposer d'une puissance maximale de 800 ch, plut√īt que d'avoir un couple de 400 Nm mais seulement 150 ch si vous recherchez la puissance.

Si nous tournons la tortilla, et ce que nous recherchons, c'est l'efficacit√© √©nerg√©tique maximale possible, ce qui nous int√©resse, c'est de mieux br√Ľler l'essence que nous mettons dans les cylindres. Cela implique alors d'opter pour un moteur qui pr√©sente moins de friction. Et moins de friction signifie moins de cylindres.

En outre, comme nous l'avons expliqué plus haut, les moteurs à longue course, ou du moins à course carrée, et non supercarrée, offrent en ce sens un meilleur compromis en matière de rendement. Vous mélangez donc le régime lent du moteur à longue course, avec le régime lent du moteur à moins de cylindres.

Encore une fois, il y a une limite à tout cela. On pourrait penser qu'alors le moteur monocylindre de deux litres et demi serait le moteur le plus efficace possible pour une cylindrée de 2,5 litres, et ce n'est pas le cas. Les limites à cet égard concernent des domaines tels que les vibrations et les inerties dérivées. Plus un moteur a de cylindres, plus il y a d'explosions par tour de vilebrequin, mais d'une intensité moindre.

Si vous divisez les explosions qui se produisent par tour de vilebrequin en une plus grande quantité, même si elles sont de moindre intensité, vous obtenez que le moteur vibre moins, qu'il soit plus équilibré, que son fonctionnement soit plus souple.

Un moteur avec trop de vibrations, en plus d'être grossier et désagréable à conduire, a également une durée de vie plus limitée et une réponse plus compromise. De plus, créer des moteurs avec peu de cylindres signifie créer des moteurs avec de gros pistons, ce qui crée des moteurs avec une plus grande inertie, peu intéressés à changer de vitesse sous nos ordres.

Morale et conclusions

Comme pour presque tout dans la vie, la vertu se trouve dans le juste milieu, et pour le trouver, il y a une série de figures bien connues des ingénieurs

Comme tout dans cette vie, être éclectique est la vertu. Nous ne devons pas aller dans les extrêmes. Il existe une série de règles de "connaissance commune" pour les ingénieurs qui finissent par être appliquées.

Par exemple, tout bon concepteur de moteur sait que d√©passer 92 millim√®tres pour le diam√®tre du piston n'est pas une bonne id√©e. Il conna√ģt √©galement la vitesse lin√©aire maximale du piston (25 m√®tres par seconde), le rapport optimal entre l'al√©sage et la course pour un moteur de performance (1,2) et celui d'un moteur ax√© sur le couple (0,8, pour les plus timor√©s). Les cylindr√©es unitaires (entre 0,4 et 0,5 litre) sont √©galement une norme industrielle bien connue.

Tout cela fait que les moteurs de s√©rie ressemblent presque toujours √† des "copies conformes" dans certaines dimensions. Ensuite, lorsque les choses sont pouss√©es √† l'extr√™me, comme dans les courses, on peut voir de v√©ritables Ňďuvres d'ing√©nierie, comme les moteurs douze cylindres de trois litres, ou les moteurs six cylindres utilis√©s par Honda sur les motos, √† la recherche des limites de performance, au d√©triment de la consommation de carburant.

À propos, si cet ingénieur devait fabriquer demain un moteur performant de deux litres et demi à aspiration naturelle, il opterait pour un cinq cylindres. Et maintenant que vous avez lu les raisons, vous le feriez aussi, n'est-ce pas ?

  • Des vitesses de piston allant jusqu'√† 36 m√®tres par seconde ont √©t√© atteintes en F1.
  • Les moteurs V8 2,4 litres √† aspiration naturelle de la F1 pr√©sentaient un couple maximal d'environ 290 Nm, ce qui vous donne une id√©e de l'extr√™me n√©cessit√© de rechercher la puissance maximale en sacrifiant le couple pour des r√©gimes plus rapides.
  • Le moteur V8 de l'Audi RS4 B7 et de l'Audi R8 avait une vitesse de piston de 25,7 m√®tres par seconde.
  • Ce m√™me moteur a servi de base au d√©veloppement du V10, qui √† son tour a servi de base √† la cr√©ation du cinq cylindres de deux litres et demi des TT-RS et RS3, qui curieusement utilise la conception que nous avons propos√©e en exemple : Cinq cylindres pour 2,5 litres de cylindr√©e.
  • Dans le m√™me temps, de nombreux moteurs Audi 0 sont √† longue course, contrairement √† leurs rivaux.
  • Honda a d√©velopp√© une moto de course de 125 centim√®tres cubes avec cinq cylindres ! La RC149 avait une bo√ģte de vitesses √† neuf rapports pour multiplier son couple affam√©, mais elle atteignait 20 500 tr/min !
Article initialement publié en janvier 2015, récupéré pour Pistonudos.
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