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 à une proportion égale (moteurs carrés) et à l'autre extrême, les moteurs dits super-carrés, où le diamètre du piston est supérieur à 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 présentent un inconvénient. En ayant un tel diamètre, ces cylindres carrés ou super-carrés offrent des pertes thermiques plus importantes (une moindre partie de l'énergie de l'explosion du carburant est convertie en mouvement du vilebrequin), et aggravent également le temps total nécessaire à la combustion (le front de flamme lorsque l'essence commence à brûler doit parcourir une plus grande distance pour achever la combustion de l'ensemble du mélange). L'extrémité de la tige et les roulements de l'extrémité de la tige souffrent également 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 définitive, il faut trouver un juste milieu dans les moteurs, dicté par le client cible qui va utiliser la voiture. Les moteurs carrés ou super-carrés sont destinés aux voitures performantes, tandis que les moteurs à longue course conviennent mieux aux voitures où le client recherche plus de couple, plus d'efficacité et moins de réponse à l'accélérateur.
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 réside dans l'inertie des éléments qui se déplacent à l'intérieur. En d'autres termes, la limite pour que ce moteur à cinq cylindres puisse tourner à plus de 8 000 tours (à l'œil) sera l'inertie de l'énorme piston de 92 millimètres.
Dans le domaine de l'ingénierie, il existe des chiffres connus comme étant les limites pratiques à partir desquelles les choses commencent à mal tourner. En règle générale, nous savons qu'un piston ne doit jamais dépasser une vitesse linéaire maximale de 25 mètres par seconde. Si vous allez au-delà, les choses commencent à se gâter, le vilebrequin, la bielle et le piston commencent à se déformer, 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 panacée, mais avoir plus de cylindres implique d'autres aspects négatifs, liés à l'efficacité. Plus il y a de cylindres pour une cylindrée donnée, plus le moteur présente des frottements et des pertes de chaleur, de sorte que le couple extrait de cette cylindrée est inférieur à celui qui serait obtenu avec moins de cylindres. L'air et le carburant brûlés sont moins bien utilisés.
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 échange vous pouvez obtenir plus de tours de vilebrequin par minute. Par exemple, il est préférable de ne tirer du moteur qu'un couple de 100 Nm mais de disposer d'une puissance maximale de 800 ch, plutôt 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'efficacité énergétique maximale possible, ce qui nous intéresse, c'est de mieux brûler l'essence que nous mettons dans les cylindres. Cela implique alors d'opter pour un moteur qui présente 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 dépasser 92 millimètres pour le diamètre du piston n'est pas une bonne idée. Il connaît également la vitesse linéaire maximale du piston (25 mètres par seconde), le rapport optimal entre l'alésage et la course pour un moteur de performance (1,2) et celui d'un moteur axé sur le couple (0,8, pour les plus timorés). Les cylindrées unitaires (entre 0,4 et 0,5 litre) sont également une norme industrielle bien connue.
Tout cela fait que les moteurs de série ressemblent presque toujours à des "copies conformes" dans certaines dimensions. Ensuite, lorsque les choses sont poussées à l'extrême, comme dans les courses, on peut voir de véritables œuvres d'ingénierie, comme les moteurs douze cylindres de trois litres, ou les moteurs six cylindres utilisés par Honda sur les motos, à la recherche des limites de performance, au détriment 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'à 36 mètres par seconde ont été atteintes en F1.
- Les moteurs V8 2,4 litres à aspiration naturelle de la F1 présentaient un couple maximal d'environ 290 Nm, ce qui vous donne une idée de l'extrême nécessité de rechercher la puissance maximale en sacrifiant le couple pour des régimes plus rapides.
- Le moteur V8 de l'Audi RS4 B7 et de l'Audi R8 avait une vitesse de piston de 25,7 mètres par seconde.
- Ce même moteur a servi de base au développement du V10, qui à son tour a servi de base à la création du cinq cylindres de deux litres et demi des TT-RS et RS3, qui curieusement utilise la conception que nous avons proposée en exemple : Cinq cylindres pour 2,5 litres de cylindrée.
- Dans le même temps, de nombreux moteurs Audi 0 sont à longue course, contrairement à leurs rivaux.
- Honda a développé une moto de course de 125 centimètres cubes avec cinq cylindres ! La RC149 avait une boîte de vitesses à neuf rapports pour multiplier son couple affamé, mais elle atteignait 20 500 tr/min !
