Moteur à quatre temps interactif : simulateur pas à pas

Ce que montre le modèle

À 3000 tr/min, un moteur de voiture allume chaque cylindre 25 fois par seconde, bien trop vite pour être suivi à l’œil. Ce modèle ralentit le moteur jusqu’à ce que vous puissiez suivre chaque temps, puis vous laisse le modifier : plus de cylindres, du diesel au lieu de l’essence, une autre distribution, moins d’accélérateur.

Le cylindre 1 est dessiné en détail et coupé en deux par le milieu pour qu’on voie l’intérieur. Les surfaces rouges sont les faces de coupe du bloc, de la culasse et du carter d’huile. Tout ce qui bouge est montré entier : le piston et ses segments, la bielle, le vilebrequin et ses contrepoids, les deux soupapes et leurs ressorts, les deux arbres à cames, la courroie de distribution et le volant moteur. Autour se trouvent les pièces qui font vivre un moteur : la chemise d’eau, le joint de culasse, les paliers de vilebrequin, la pompe à huile, le papillon des gaz, l’injecteur et le pot catalytique. Cela fait 24 pièces nommées dans la liste Pièces.

Les dimensions sont celles d’un cylindre d’un moteur courant de deux litres à quatre cylindres : alésage de 86 mm, course de 86 mm et rapport volumétrique de 10 à 1. Un cylindre balaie 499,6 centimètres cubes, et quatre font 1998 cc. L’affichage dans le coin indique l’angle du vilebrequin, le temps où se trouve le cylindre 1, le volume de gaz au-dessus du piston et une pression dans le cylindre calculée par le modèle, avec en dessous le cycle pression-volume et un graphique du couple.

Pourquoi un cycle demande deux tours de vilebrequin

Un moteur à quatre temps a besoin de quatre courses du piston, donc de deux tours complets de vilebrequin, pour accomplir un cycle. Par convention, on mesure le cycle en degrés de vilebrequin de 0° à 720°, en partant du piston au sommet de sa course, appelé point mort haut.

1. Admission (0° à 180°). La soupape d’admission est ouverte et le piston descend. L’espace au-dessus de lui grandit, la pression tombe un peu sous celle de l’air extérieur, et le mélange d’air et de carburant entre par le conduit d’admission. Dans le modèle, c’est le flot de points bleus.
2. Compression (180° à 360°). Les deux soupapes sont fermées. Le piston remonte et comprime le mélange dans le dixième du volume qu’il occupait en bas. La compression le chauffe et élève sa pression, ce qui rend la combustion qui suit bien plus efficace. Les points virent au violet en se tassant.
3. Combustion et détente (360° à 540°). Juste avant le haut, la bougie produit l’étincelle. Le front de flamme s’étend depuis la bougie en quelques millièmes de seconde, la pression est multipliée plusieurs fois et repousse le piston vers le bas. C’est le seul temps où le gaz fournit du travail au piston. Regardez la demi-sphère orange grandir depuis la bougie.
4. Échappement (540° à 720°). La soupape d’échappement s’ouvre près du bas, la pression restante s’échappe d’un coup, et le piston qui remonte chasse le reste des gaz brûlés dans le conduit d’échappement. Les points gris sortent à droite.

Puis la soupape d’admission s’ouvre de nouveau et le cycle recommence. Un cylindre fournit un temps moteur tous les deux tours : à 3000 tr/min, cela fait 25 temps moteurs par seconde, chacun ne durant que 10 millisecondes.

Le rôle de chaque pièce

Piston et segments. Le piston est une coupelle légère en aluminium qui coulisse dans l’alésage avec un jeu de quelques centièmes de millimètre. Trois segments logés dans des gorges près du haut assurent l’étanchéité : les deux du haut retiennent la pression des gaz, celui du bas racle l’huile sur la paroi du cylindre. Un axe de piston en acier de 21 mm le relie à la bielle.

Bielle et vilebrequin. La bielle relie l’axe du piston à un maneton situé à 43 mm de l’axe du vilebrequin. Quand le vilebrequin tourne, le maneton décrit un cercle et le piston se déplace de 86 mm, deux fois le rayon de manivelle. Les bras massifs opposés au maneton sont des contrepoids qui équilibrent la masse en rotation. Le vilebrequin tourne dans des paliers : des coussinets minces garnis de métal tendre. Moteur tournant, le tourillon flotte sur un film d’huile et ne les touche jamais.

Volant moteur. Sur quatre temps, trois prennent de l’énergie au lieu d’en donner. Le volant est un disque lourd qui stocke de l’énergie pendant le temps moteur et la restitue pendant les autres, ce qui maintient le vilebrequin en rotation.

Soupapes, ressorts et arbres à cames. Chaque soupape est une pièce d’acier en forme de champignon, maintenue fermée par un ressort. Une came de l’arbre à cames l’ouvre en appuyant sur un poussoir en forme de coupelle, appelé poussoir à godet. La forme de la came décide quand la soupape s’ouvre, de combien et pendant combien de temps. Dans ce modèle, chaque soupape se lève de 9,2 mm, et les cames ont été dessinées à partir de la même loi de levée qui déplace les soupapes.

Courroie de distribution. Le vilebrequin entraîne les arbres à cames par une courroie crantée. Le pignon de vilebrequin a 21 dents et chaque poulie d’arbre à cames 42 : les arbres à cames font donc exactement un tour pour deux tours de vilebrequin. Chaque soupape s’ouvre une fois par cycle, et un cycle prend deux tours de vilebrequin, si bien que le rapport ne pourrait pas être différent.

Refroidissement et graissage. Activez « Refroidissement et huile ». Le liquide de refroidissement (bleu) monte dans la chemise d’eau le long de l’alésage, passe au-dessus de la chambre de combustion et emporte la chaleur vers le radiateur. Le joint de culasse, une fine tôle d’acier multicouche, sépare les gaz, le liquide de refroidissement et l’huile là où la culasse rejoint le bloc. L’huile (ambre) est aspirée dans le carter à travers une crépine par la pompe à huile et envoyée aux paliers, puis redescend.

Papillon et injecteur. Dans un moteur à essence, le papillon des gaz est une vanne papillon placée dans l’admission. Le fermer abaisse la pression de l’air qui entre, et c’est ainsi que le conducteur demande moins de puissance. L’injecteur de conduit pulvérise le carburant sur le dos de la soupape d’admission fermée, et vous pouvez voir le bref jet juste avant l’ouverture de l’admission.

Un cylindre ou huit

Déplacez le curseur « Cylindres ». Les cylindres supplémentaires sont dessinés en transparence sur le même vilebrequin, et ils suivent réellement leurs propres manivelles et leur ordre d’allumage.

Un monocylindre donne une poussée tous les deux tours, si bien que le couple sur le vilebrequin varie fortement : très positif pendant le temps moteur, légèrement négatif pendant que le piston comprime la charge suivante. Le graphique du couple de l’affichage trace le couple total des gaz sur deux tours, avec une ligne en tirets à la moyenne. Le nombre en haut à droite est l’écart : la différence entre le couple le plus haut et le plus bas, divisée par la moyenne.

L’écart est calculé à partir de la courbe de pression du modèle, avec les seules forces des gaz. Il laisse de côté l’inertie des pistons, qui compte beaucoup à haut régime ; c’est pourquoi les ingénieurs se soucient de l’équilibrage autant que des intervalles d’allumage. Un quatre-cylindres en ligne, par exemple, s’allume régulièrement mais vibre tout de même de haut en bas deux fois par tour, parce que ses pistons ne suivent pas une sinusoïde parfaite. C’est pourquoi beaucoup de gros quatre-cylindres ont des arbres d’équilibrage.

Le volet Réglages contient un graphique en barres de l’écart pour chaque architecture. Touchez une barre pour passer à cette architecture.

Essence ou diesel

Activez « Diesel ». Trois choses changent dans le modèle.

D’abord, la tête du piston monte de 4,5 mm, ce qui réduit l’espace au-dessus du piston au point haut de 55,5 cc à 29,4 cc. Le rapport volumétrique passe de 10:1 à 18:1. Ensuite, il n’y a pas de bougie. L’air seul est comprimé si fort qu’il atteint plusieurs centaines de degrés, assez pour enflammer le gazole dès qu’il est pulvérisé. Enfin, l’injecteur passe au centre de la culasse et pulvérise directement dans le cylindre environ 10° avant le haut. Le carburant brûle à mesure qu’il entre, si bien que la combustion démarre plus doucement qu’avec l’étincelle d’un moteur à essence et dure plus longtemps.

Un diesel n’a pas de papillon au sens habituel. Il aspire toujours un plein cylindre d’air et règle la puissance en injectant plus ou moins de carburant. Dans le modèle, le curseur d’accélérateur fait varier la quantité de carburant en mode diesel et la pression d’admission en mode essence. Cette différence est l’une des raisons pour lesquelles les diesels gaspillent moins d’énergie à charge partielle : un moteur à essence qui tourne doucement doit aspirer sa charge à travers un papillon presque fermé, et faire passer l’air par cet étranglement coûte du travail.

Quel rendement peut-il atteindre ?

Le cycle idéal d’un moteur à essence est le cycle de Beau de Rochas, dit cycle d’Otto : compression et détente sans perte de chaleur, et toute la chaleur apportée d’un coup au point haut. Son rendement ne dépend que du rapport volumétrique r et de l’indice adiabatique du gaz γ :

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Avec de l’air (γ = 1,4) et r = 10, on obtient 60,2 %. À 14:1, le rapport des moteurs à essence SKYACTIV-G de Mazda hors des États-Unis, il monte à 65,2 %. Le cycle diesel idéal apporte la chaleur sur une portion de la course au lieu de tout d’un coup ; avec r = 18 et un rapport d’injection de 2, il donne 63,2 %. Une compression plus élevée est le principal atout du diesel. Un moteur à essence ne peut guère dépasser 10 à 14:1, car le mélange chaud exploserait de lui-même avant l’étincelle : c’est le cliquetis.

La ligne « Rendement idéal » de l’affichage utilise ces formules. Le laboratoire du volet Réglages montre aussi un rendement du modèle : le travail fourni dans le cycle de pression modélisé divisé par la chaleur libérée. Avec les réglages par défaut, il est d’environ 48 % en essence et d’environ 51 % en diesel, et tombe à 36 % en essence au quart de l’accélérateur tandis que le diesel reste proche de 50 %. Les moteurs réels perdent davantage : la chaleur passe dans les parois, la combustion n’est pas instantanée, et les frottements ainsi que les pompes à huile et à eau prennent leur part. En conduite ordinaire, le département de l’Énergie des États-Unis estime que seuls 12 à 30 % environ de l’énergie du carburant d’une voiture classique servent à la faire avancer sur la route, selon le type de conduite.

Une distribution à faire glisser

Si les soupapes s’ouvraient et se fermaient exactement aux points morts haut et bas, le moteur respirerait mal à haut régime, car le gaz a une masse et met du temps à se mettre en mouvement et à s’arrêter. Les moteurs réels ouvrent les soupapes en avance et les ferment en retard. Ce modèle part de valeurs typiques :

Fermer l’admission en retard laisse la colonne d’air en mouvement continuer à s’engouffrer dans le cylindre alors que le piston a déjà commencé à remonter. Ouvrir l’échappement en avance laisse la haute pression s’évacuer avant que le piston ait à pousser contre elle. Autour du point mort haut, à la fin de l’échappement, les deux soupapes sont légèrement ouvertes en même temps pendant 20° ; ce croisement des soupapes permet aux gaz qui sortent d’aider à aspirer la charge fraîche.

Le cercle du volet Réglages est un diagramme de distribution. Le point mort haut est en haut et un tour de cercle vaut un tour de vilebrequin. L’arc bleu est la durée d’ouverture de l’admission et l’arc gris celle de l’échappement. Faites glisser l’un ou l’autre autour du cercle, ou utilisez les boutons en dessous. C’est ce que fait un déphaseur d’arbre à cames dans un moteur réel : il fait tourner l’arbre à cames de quelques degrés par rapport à sa poulie, si bien que la soupape s’ouvre et se ferme plus tôt ou plus tard alors que la durée d’ouverture reste la même. Les arbres à cames du modèle 3D tournent selon votre réglage.

Trois nombres changent quand vous faites glisser. Le croisement est le secteur ombré en haut. Le rapport de compression effectif est le volume à la fermeture de l’admission divisé par le plus petit volume ; fermer l’admission plus tard le diminue donc. Les moteurs conçus pour le cycle Atkinson ou Miller le font exprès, afin d’obtenir un rapport de détente élevé sans cliquetis. Le rendement du modèle suit le cycle de pression : ouvrir l’échappement plus tôt jette une pression qui aurait encore pu pousser le piston, et le rendement baisse.

Accélérateur, régime, couple et puissance

Le deuxième graphique du laboratoire trace le couple et la puissance en fonction du régime. La ligne noire est le couple à l’ouverture d’accélérateur choisie, la ligne orange la puissance correspondante. Les tirets gris montrent les pleins gaz. La ligne pointillée est une charge semblable à celle de la route, qui croît avec la vitesse, et le point rouge se place là où le couple du moteur rencontre la charge. C’est le régime auquel le moteur se stabiliserait. Fermez l’accélérateur et le point glisse vers un régime plus bas : c’est ainsi qu’un conducteur règle l’allure de sa voiture.

Le couple vient du travail du cycle du modèle : un cylindre qui fournit 625 joules de travail des gaz par cycle donne 625 / 4π ≈ 50 newtons-mètres en moyenne sur deux tours. Le remplissage varie avec le régime (meilleur près d’un régime moyen qui se déplace avec la distribution) et les frottements augmentent avec le régime : le couple culmine donc au milieu et la puissance continue de monter jusque près du maximum. La puissance est le couple multiplié par la vitesse angulaire : P = T × 2πN / 60. Toutes ces courbes sont des valeurs du modèle destinées à montrer des formes, pas une fiche de banc d’essai.

Deux temps au lieu de quatre

Activez « Comparer au deux-temps ». Un dessin de cylindre à deux temps sur le même vilebrequin apparaît sur la scène. Il n’a pas de soupapes. C’est le piston lui-même qui découvre une lumière d’échappement et une lumière de transfert dans la paroi du cylindre près du bas de sa course. La charge fraîche, déjà un peu comprimée dans le carter sous le piston, s’engouffre par la lumière de transfert et chasse les gaz brûlés par l’échappement. Chaque descente est donc un temps moteur, et le moteur s’allume une fois par tour.

La ligne orange du graphique du couple est le couple du deux-temps. Il s’allume deux fois plus souvent, mais dans le modèle chaque cycle fournit moins de travail (environ la moitié), parce que les lumières restent ouvertes pendant une grande partie de la course et qu’une partie de la charge fraîche s’échappe directement par l’échappement. Ce carburant perdu explique pourquoi les petits moteurs à deux temps sont légers et simples mais polluants, et pourquoi la plupart des véhicules routiers sont passés au quatre-temps. Les gros diesels lents à deux temps des navires règlent le problème avec des soufflantes et des soupapes d’échappement, et comptent parmi les moteurs les plus efficaces jamais construits.

Moteurs réels

Le catalogue des moteurs règle l’architecture, le carburant et la taille des cylindres du modèle sur ceux d’un moteur réel. Les cylindres sont dessinés à la bonne taille, sauf les plus grands, réduits et signalés comme tels. Le rapport volumétrique et les pressions restent des valeurs du modèle.

Les puissances ne sont données que lorsqu’une valeur unique a été confirmée pour la version citée. Plusieurs de ces moteurs ont été vendus en plusieurs puissances.

Les calculs

Lire le cycle pression-volume

Le petit graphique de l’affichage trace la pression dans le cylindre en fonction du volume pendant que le vilebrequin tourne. Son axe vertical est logarithmique pour que la faible pression d’admission et le haut pic de combustion tiennent sur un même graphique. L’aire enfermée par la boucle est proportionnelle au travail que le gaz fournit au piston en un cycle. Fermez l’accélérateur et regardez la boucle rétrécir et la ligne du bas passer sous la pression atmosphérique : la petite boucle inversée du bas est le travail de pompage.

La pression affichée est un modèle simplifié, pas une mesure. La compression et la détente suivent la loi polytropique pVⁿ = constante avec n = 1,32, et la libération de chaleur suit une courbe de combustion régulière en S qui commence à l’étincelle et dure 55 degrés de vilebrequin, ce qui place un pic d’environ 51 bar à 20° après le point mort haut à pleins gaz.

Dépolluer l’échappement

Brûler de l’essence dans l’air laisse trois polluants principaux : le monoxyde de carbone, les hydrocarbures imbrûlés et les oxydes d’azote. Le pot catalytique de la ligne d’échappement est un nid d’abeilles en céramique revêtu de platine, de palladium et de rhodium. Sur une voiture à essence, c’est un catalyseur trois voies : il oxyde le monoxyde de carbone et les hydrocarbures en dioxyde de carbone et en eau, et réduit les oxydes d’azote en azote. Il ne réussit les trois à la fois que si le moteur fonctionne très près du mélange chimiquement exact, c’est pourquoi les moteurs à essence ont une sonde à oxygène dans l’échappement. Les diesels fonctionnent avec un excès d’air ; ils utilisent donc un catalyseur d’oxydation, un filtre à particules pour la suie et un système distinct pour les oxydes d’azote.

D’où vient le moteur à quatre temps

Des moteurs à combustion interne qui aspiraient un mélange et l’allumaient sans le comprimer d’abord existaient déjà dans les années 1860, mais leur rendement était faible. En 1876, Nicolaus Otto construisit en Allemagne le premier moteur pratique qui comprimait sa charge avant de l’allumer, selon le cycle à quatre temps présenté ici. C’est pourquoi le cycle idéal à quatre temps d’un moteur à essence s’appelle encore cycle d’Otto. Dans les années 1890, Rudolf Diesel mit au point le moteur qui enflamme son carburant par la seule compression.

Du travail des gaz aux kilowatts : un exemple chiffré

Le modèle donne à chaque cylindre environ 625 joules de travail des gaz par cycle à pleine charge. Tout ce qui suit découle de ce seul nombre, et les mêmes étapes valent pour tout moteur dont on sait lire la fiche technique.

1. Travail par cycle pour quatre cylindres. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Couple moyen. Un cycle dure deux tours, soit 4π radians, donc T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. C'est la moyenne sur le cycle. Le graphique de couple du tableau de bord oscille autour de cette valeur.
3. Puissance à 3000 tr/min. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. Le raccourci donne le même résultat : 2500 J par cycle × 25 cycles par seconde = 62 500 W.
4. Pression moyenne effective. On divise le travail par cycle par la cylindrée : 2500 J ÷ 1,998 litre = 1,25 mégapascal, soit environ 12,5 bar. C'est la pression constante qui, appliquée au piston pendant toute la course motrice, produirait le même travail. Elle permet de comparer des moteurs de tailles différentes, car elle ne dépend pas de la cylindrée.
5. Puissance par litre. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW par litre.

Le modèle garde ici le couple constant par simplicité. Dans un vrai moteur, le couple varie avec le régime, donc la puissance à 6000 tr/min n'est pas exactement le double. L'exemple sert surtout à suivre la chaîne des unités : des joules par cycle deviennent des newtons-mètres, et des newtons-mètres multipliés par des radians par seconde deviennent des watts.

Le catalogue des moteurs montre à quel point la puissance par litre peut varier. D'après les puissances nominales du tableau plus haut, le diesel Toyota 1GD-FTV donne 130 kW avec 2755 cm³, soit environ 47 kW par litre. Le Volkswagen EA888 2.0 TSI donne 162 kW avec 1984 cm³, environ 82 kW par litre, et le Honda K20C1 fournit 228 kW avec 1996 cm³, environ 114 kW par litre. Ce sont des valeurs nominales à un régime donné pour une version donnée, et les moteurs turbo les atteignent en forçant plus d'air dans les mêmes cylindres, pas avec un alésage plus grand ou une course plus longue.

Rapport de compression, cliquetis et carburant

La formule du rendement η = 1 − 1/r^(γ−1) récompense un rapport de compression plus élevé, mais avec des gains décroissants. Avec γ = 1,4 :

De 8 à 10, on gagne 3,7 points. De 12 à 14, seulement 2,2. La courbe s'aplatit : chaque unité de compression en plus rapporte moins.

Les moteurs réels restent aussi très en dessous de ces chiffres. Le gaz d'un moteur n'est pas de l'air avec γ = 1,4 : le mélange brûlé a un rapport des capacités thermiques plus faible, et avec γ = 1,3 la même formule ne donne que 49,9 % à 10:1. La valeur du modèle avec les réglages par défaut, environ 48 %, est du même ordre. Les pertes de chaleur vers les parois et les frottements abaissent encore le chiffre réel, à 30 à 40 % au mieux pour les moteurs de série.

Ce qui empêche les moteurs à essence d'augmenter simplement le rapport, c'est le cliquetis. L'indice d'octane mesure la capacité d'un carburant à résister au cliquetis, où une partie du mélange comprimé s'enflamme avant que la flamme ne l'atteigne. Un rapport plus élevé rend le gaz restant plus chaud et plus dense, il faut donc un carburant qui résiste à l'auto-inflammation. C'est pourquoi la notice indique l'indice d'octane à utiliser : le moteur a été conçu pour lui. Les moteurs récents peuvent retarder l'allumage quand ils détectent du cliquetis, ce qui les protège mais coûte en puissance et en consommation. Le diesel du modèle évite le problème en ne comprimant que de l'air et en injectant le carburant ensuite.

Idées reçues

« Le moteur explose à chaque course. » Une seule course sur quatre fournit du travail au piston. Dans un monocylindre, les trois autres prennent de l'énergie au volant moteur. Montez le curseur « Cylindres » et regardez l'ordre d'allumage : avec huit cylindres, les courses motrices se suivent tous les 90°, ce qui donne seulement l'impression d'un flux continu.

« Couple et puissance, c'est la même chose. » Le couple est la force de rotation sur le vilebrequin. La puissance est le couple multiplié par la vitesse de rotation. Un moteur peut avoir son couple maximal à un régime moyen et sa puissance maximale à un régime bien plus haut, c'est ce que montrent les deux courbes du graphique de régime.

« Plus de cylindres veut toujours dire plus de puissance. » La puissance dépend de l'air que le moteur peut brûler par seconde : cylindrée, régime et quantité d'air chargée dans chaque cylindre. Un petit trois-cylindres turbo de la liste peut dépasser un moteur plus gros sans turbo. Plus de cylindres servent surtout à lisser le couple et à permettre des cylindres plus petits, comme le montre la colonne d'oscillation.

« Fermer l'accélérateur fait le même travail avec moins de carburant. » Il entre moins d'air dans le cylindre, et le carburant est dosé en conséquence. Le prix à payer est le travail de pompage : le piston doit aspirer l'air à travers un papillon presque fermé. La petite boucle inversée du diagramme pression-volume représente cette perte.

« Un indice d'octane plus élevé donne plus de puissance. » L'indice d'octane décrit la résistance au cliquetis, pas l'énergie contenue dans le carburant. Un moteur qui ne cliquette pas avec l'indice le plus bas ne gagne rien avec l'indice plus haut, et c'est la recommandation du constructeur qu'il faut suivre.

À essayer sur l'écran

• Vérifier l'exemple. Choisissez quatre cylindres et l'essence à pleine charge. La ligne en tirets du graphique de couple est le couple moyen, et le graphique de régime du laboratoire trace la puissance correspondante. Comparez leurs formes avec les étapes ci-dessus.
• Comparer les boucles. Activez et désactivez « Diesel » et comparez la boucle pression-volume, le rapport de compression et la ligne « Rendement idéal ». Le rapport passe de 10:1 à 18:1.
• Observer la compression effective. Sur le cercle de distribution, faites glisser l'arc d'admission plus tard et lisez « Compression effective » et le rendement du modèle pendant qu'ils changent.
• Voir la perte par pompage. Baissez l'accélérateur en mode essence et regardez la petite boucle inversée en bas du diagramme pression-volume, ainsi que le rendement du modèle, qui tombe vers 36 % à un quart d'accélérateur.
• Comparer des moteurs de tailles différentes. Choisissez deux entrées du catalogue des moteurs, par exemple le Honda GX160 et le GM LS3, et comparez les dessins des cylindres et les cm³ par cylindre dans la note sous la liste.

Trente moteurs, de 1876 au porte-conteneurs

Le catalogue de l’onglet « Réglages » contient désormais trente moteurs. On peut chercher par nom, ou filtrer les moteurs d’avant 1950, les voitures, motos, petits moteurs, camions, moteurs de compétition et navires, ainsi que l’allumage commandé ou le diesel. Le choix règle l’architecture, le carburant et la taille des cylindres : le dessin passe du cylindre de tondeuse à celui d’un navire.

Deux moteurs demandent une précision. Le modèle dessine un V6 à 60°, alors que le moteur de Formule 1 est un V6 à 90° : son architecture sur la scène est proche, mais pas exacte. Les cylindres du moteur naval mesurent 960 mm de diamètre, plus de onze fois l’alésage du modèle. La scène les dessine donc à deux fois la taille du modèle et le signale ; les valeurs affichées gardent les dimensions réelles. Le document Wärtsilä ne donne pas son rendement en pourcentage. Il se calcule avec la consommation : 171 grammes de carburant par kilowattheure, à 42,7 MJ par kilogramme, donnent 3 600 ÷ (0,171 × 42 700) = 49,3 %. Ce moteur est un deux-temps ; le choisir ouvre aussi la comparaison deux-temps.

Un plus grand cylindre ne peut pas tourner aussi vite. La vitesse de déplacement des pistons limite le moteur : le modèle garde donc leur vitesse moyenne constante quand on agrandit un cylindre. À la taille du modèle, 7 000 rpm avec une course de 86 mm donnent 20,1 m/s de vitesse moyenne. Multiplier les dimensions par 15, comme pour le navire, ne permet plus qu’environ 300 rpm à vitesse de piston égale. Le vrai moteur naval tourne à 102 rpm car sa course vaut 2,6 fois son alésage, soit une vitesse moyenne de 8,5 m/s, la valeur du tableau Wärtsilä.

Régime réel, puis ralenti

Le bouton « Tourner à 3 000 rpm » montre ce que le modèle cache habituellement. À 3 000 rpm, le vilebrequin fait 50 tours par seconde, chaque cylindre allume 25 fois par seconde et un temps dure 10 millièmes de seconde. Sur un écran à 60 Hz, cela fait 300 degrés de vilebrequin entre deux images : les pièces semblent saccader, voire tourner à l’envers. C’est l’effet stroboscopique qui fait aussi tourner les roues des films dans le mauvais sens. Après trois secondes, le modèle ralentit pendant 3,5 secondes jusqu’à 6 rpm. Chaque temps redevient facile à suivre et le bandeau nomme celui du cylindre 1. Avec le son, les coups se fondent en un bourdonnement au régime maximal, puis se séparent au ralentissement.

Rapport volumétrique, cliquetis et fermeture tardive de l’admission

Le curseur de compression fait varier le rapport du moteur à essence de 6:1 à 15:1. Un rapport plus élevé augmente le rendement du modèle (47,6 % à 10:1), car les gaz se détendent davantage après combustion. Mais il comprime aussi davantage le mélange imbrûlé. Si le bout de la charge devient assez chaud et dense, il s’allume avant que la flamme de la bougie l’atteigne, et les deux ondes de pression se heurtent. C’est le cliquetis : un tintement métallique, une forte pression maximale et, dans un vrai moteur, des pistons endommagés.

Le cliquetis dépend du carburant, de la température, de la forme de la chambre et du calage d’allumage. Le modèle retient une règle simple, indiquée à l’écran : il apparaît quand la pression en fin de compression dépasse 20,5 bar. Avec la distribution initiale, cette limite arrive vers 11:1 (20,2 bar, sans cliquetis) ; 12:1 atteint 22,7 bar et provoque le cliquetis.

On peut le contourner. Si l’admission ferme plus tard, une partie de la charge est repoussée dans le conduit avant la fermeture : le piston comprime réellement moins que ne le suggère le rapport géométrique. Avec l’admission retardée de 40°, un rapport de 13,5:1 donne 17,9 bar en fin de compression, sous la limite, et le rendement du modèle atteint 50,9 %. La détente utilise toujours les 13,5:1 complets. C’est le principe des cycles Atkinson et Miller : compression courte, détente longue. Le Toyota 2ZR-FXE de la Prius l’utilise ; Mazda et Toyota annoncent des rapports de 13 et 14 à 1 pour leurs nouveaux moteurs à essence.

Pourquoi le turbo fait revenir le cliquetis

Le turbocompresseur apparaît à côté du tuyau d’échappement quand on le monte. Les gaz entraînent la roue de turbine ; celle du compresseur, sur le même arbre, pousse de l’air dans l’admission. Plus d’air permet de brûler plus de carburant, donc d’obtenir plus de puissance à cylindrée égale. Le département américain de l’Énergie décrit le turbo comme un compresseur qui force plus d’air dans les cylindres et permet d’injecter plus de carburant. Il annonce jusqu’à 8 % d’économie de carburant avec un turbo associé à un moteur plus petit.

Le curseur de suralimentation ajoute une pression au-dessus de l’air extérieur. Dans le modèle, 0,9 bar sur le monocylindre fait passer la puissance maximale de 19,1 kW à 29,4 kW. La contrepartie est le cliquetis : la pression en fin de compression augmente avec la suralimentation, et 0,6 bar à 10:1 donne déjà 29,1 bar. Les vrais moteurs à essence turbo répondent par un rapport plus faible, une admission fermant plus tard, le refroidissement de l’air et l’injection directe. Dans le modèle, 0,9 bar fonctionne sans cliquetis à 8:1 avec l’admission fermée 40° plus tard (18,1 bar). Le diesel n’a pas cette limite, car son carburant n’est injecté qu’au moment de brûler.

Les défis sur la scène

La liste « Défis » de l’onglet « Réglages », accessible aussi par le badge sur la scène, vérifie vos manipulations sur le modèle. Elle en contient onze : gagner au moins 5 % de puissance maximale avec la distribution (le meilleur réglage vérifié, admission avancée de 15° et échappement retardé de 30°, donne 10,7 %), atteindre 13:1 sans cliquetis, donner l’ordre d’allumage du V8, observer l’avantage du diesel à charge partielle (50,7 % contre 43,6 % à mi-ouverture), trouver l’architecture la plus régulière, tourner au régime réel, comparer deux temps et quatre temps, trouver le moteur le plus efficace et le plus ancien du catalogue, suralimenter à 0,8 bar sans cliquetis et ouvrir toutes les vues rapprochées. Les défis résolus restent marqués à votre retour.

« Instantané » et « moyenne » dans l’affichage

L’affichage mélange deux sortes de nombres, chacun muni d’une étiquette. Le couple des gaz « instantané » est l’effort de rotation transmis au vilebrequin à cet angle précis. Il passe de valeurs négatives pendant la compression à plusieurs centaines de newtons-mètres juste après l’étincelle : le multiplier par le régime donnerait un résultat dépourvu de sens. Les valeurs de couple, de régime et de puissance marquées « moyenne » vont ensemble : elles représentent la moyenne sur un cycle complet après frottements et échanges gazeux, au régime où le moteur s’équilibre avec la charge. Multipliez ce couple par la vitesse angulaire en radians par seconde et vous obtenez la puissance de la même ligne.

Vues rapprochées

Les boutons rapprochent la caméra d’une pièce et arrêtent le vilebrequin au moment utile : maneton à 90°, came d’admission à pleine levée, deux soupapes ouvertes autour du point mort haut, piston en compression, étincelle juste avant le sommet, injecteur diesel au début de l’injection et turbocompresseur. « Démonter » écarte les pièces moulées des pièces mobiles pour voir le piston, la bielle et le vilebrequin tourner seuls.