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  • Optimisation des conduits ADM/ECH de serie

    Optimisation des conduits.

    Pour ce sujet, je prends un moteur d’origine, avec toutes les pièces provenant de la série.
    Pour toutes pièces provenant de préparateur professionnel, se référer à sa notice de montage.

    La préparation des moteurs est un sujet qui nous tient tous a cœur, toutefois, j’attire votre attention sur les modifications effectuées sur les moteurs.
    Le simple fait d’améliorer les performances de votre véhicule peut vous mettre hors la loi.
    Que ces modifications doivent être faites dans les règles de l’art, prendre son temps sur les divers problèmes rencontrés, propreté, qualité, réflexion, sont les mots maîtres dans la préparation. Je vois mal une prépa sur les conduits effectuée à la disqueuse et à la lime !!!
    Préparer son moteur comporte des risques de casse, voir destruction du moteur si on est trop gourmand, demander 500 N.m sur une cylindrée de 1000 cm3 avec un turbo de camion enrichi au nitrométhane le tout avec un bloc/moteur de 50 kg, il y a des risques de se retrouver avec les bielles qui font coucou dans le radiateur d’eau.
    Enfin, je présente ma vision des choses, car il est inévitable que d’autres théories viennent me contredire, c’est le jeu, et je serai content d’en apprendre plus.

    Voilà, ma petite mise en garde, maintenant passons au choses sérieuses.


    Pourquoi améliorer les conduits d’admission et d’échappement ?

    Pour l’admission, le fait de rendre l’écoulement d’air dans les conduits, augmente tous simplement la PME (pression moyenne effective) http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_moyenne_effective , ce qui revient à dire que si on freine moins l’air dans le conduit, plus y il aura de volume d’air dans la chambre de combustion, donc on va pouvoir injecter plus de carburant, ce qui a pour effet d’augmenter la pression exercée sur le piston.

    Pour le surplus de gaz a la suite de cette combustion améliorée, il faut vidanger les gaz d’échappement sans les freiner.
    Si, on freine la sortie des gaz, la pression règnant dans la chambre de combustion appuie sur le piston, ce qui est une perte directe sur le travail de son voisin.

    L’idée est de se trouver à la pression atmo juste avant la fermeture de la soupape d’admission, il est même possible de faire une suralimentation naturelle en jouant sur les effets acoustiques, c’est à dire, de trouver une pression supérieure a la pression atmo juste avant la fermeture admission. Sur les moteurs atmosphériques bien entendus.

    La première étape, c’est de raccorder correctement les jonctions entre les différentes pièces du collecteur et de la culasse.

    Une petite question : A quelle vitesse circule la veine d’air dans le collecteur d’admission au régime maxi du moteur ?
    Environ 110 m/sec soit 396 km/h, à cette vitesse, imaginez-vous l’importance l’aérodynamisme du conduit !!
    Pour avoir une idée du débit passant dans le collecteur, on peut faire un petit calcul rapide de sa capacité :

    Si on prend Q=S x V

    Q : le volume d’air m²/s
    S : la section du conduit en m²
    V :vitesse du gaz en m/s

    Un conduit (un carburateur par exemple) de 40mm de diamètre, sa section nous donne 0.0050264 m² soit un débit de 0.552904 m3/s ou 1990 m 3/h avec une vitesse de gaz à 110 m/s.
    Un moteur de 2000cm3 tournant à 4500 tr/min pendant une heure aspire environ : 2025 m3/s en considérant que le rendement de remplissage est de 1 ( on est loin de cette valeur).

    Ce qui m'amène à dire que le moteur d’origine est déjà proche en terme de section de collecteur pour une utilisation normale, en effet, je ne vois personne sur la route être a 7000 tr/min pour aller au boulot.
    Pour une utilisation plus sévère, les conduits d’origine ne sont plus optimaux, sans vouloir dépenser des sommes folles pour optimiser son moteur, il y a des solutions économiques, hélas pas parfaite, mais qui on le mérite d’exister.
    Donc, toutes personnes avec quelques connaissances mécaniques, peuvent améliorer son moteur.
    Nous avons donc un grand intérêt à polir les conduits.

    Voyons les effets d’un mauvais raccordement des conduits :

    Dans notre cas, nous avons 2 tubes de section différentes, dans le premier cas, le tube primaire à une section plus petite que le secondaire.
    Au niveau du raccordement, il y a une formation de tourbillons. Ces tourbillons créent le décollement de la couche limite (couche d’air primaire situé sur la paroi du conduit).
    Ces tourbillons on un effet d’aspiration qui freine la vitesse de la veine d’air en plus du changement de section (qui lui, de par sa section plus importante réduira obligatoirement la vitesse de la veine).
    Dans le second cas, le primaire a une section plus grande que le secondaire. Le mur devant le changement de section met la couche limite en pression, la veine passe l’obstacle sans être « freinée », mais crée un étranglement au début du tube secondaire suite au décollement de la couche limite, ce qui diminue la section de passage du tube secondaire.






    Après un passage à la moulinette, cela nous donne une forme de cône avec un angle d’ouverture faible afin d’éviter les turbulences.







    Si on regarde l’écoulement de l’air dans un coude à 90° à arrêtes vive, on peut observer un décollement de la veine d’air après le coude. C’est la partie intérieure, à cause de son angle vif, que la veine d’air va décoller et une perte de charge importante. L’idéal, ce sont des coudes avec un grand rayon intérieur.






    Bon, c’est bien la théorie, mais dans la réalitée ?

    Prenons un conduit d’origine, on voit bien que la qualité n’est pas au rendez-vous !!!
    Bien que la forme générale du conduit soit plutôt sympa, si on regarde bien, il y a un déflecteur juste avant les guide de soupape, la fourche est présente un bord d’attaque bien arrondi,…
    On voit bien les deux demi-moules en plein milieu du conduit, avec son ‘grain de sable’ entre les moules.
    Les ajustements entre la fonderie de la culasse et les pièces rapporter sont affreuses, surtout au niveau des sièges de soupapes, il y a une grosse perte de charge a ce niveau.




    Et maintenant, un conduit fini (il n’est pas de moi, et ce n’est pas le même que la photo précédente), je le trouve bien fait, les raccordements sont bien effectues, sans petites bosses du à la forme de la fraise, pas de passage profond de la fraise au même endroit, et les rayons sont assez grand, les formes de déflecteurs avant les guides sont intacts par rapport à l’origine, et enfin, le gros rayon au niveau de la fourche.




    Mais, hélas, trop souvent je vois des culasses mal faites, leurs propriétaires, souvent par manque de connaissance, on une volonté de trop vouloir en faire, massacrent tout le travail.
    Le plus souvent, la fourche est la proie facile, tout le monde ferai la même chose, mais il ne faut pas faire une lame de rasoir à cet endroit. C’est un peu comme le bord d’attaque d’une aile d’avion, sa forme est bien arrondie.
    Une autre erreur, la suppression des guides de soupapes, non pas sur un aspect aéro, mais plutôt mécanique, avec un guide coupé en biais, les frottements du guide sur la soupape n’est pas uniforme, la soupape aura une tendance à ne pas s’appuyer correctement sur son siège.
    Du plus, il y a aura un manque de guidage de la soupape du au raccourcissement du guide, ce qui avec ces deux erreurs,fera que les soupapes n’aurons pas une étanchéité optimum, et donc une usure rapide.



    Il y a aussi les prépa de culasse que je qualifie de vitrine publicitaire, mais si on regarde de plus près, le travail n’est pas de bonne qualitée pour le gain en perfo.
    C’est beau, sa brille, mais on voit les coups de fraise, les courbes ne sont pas fluides au niveau de la fourche, forme carrée du conduit juste après la fourche pour revenir rond au niveau du siège, marque de raccord des moules, finition miroir.
    Contrairement aux idées reçues, la finition poli miroir est à bannir. Avec cette finition, la couche primaire de la veine d’air (couche limite) ne parvient pas à ‘s’accrocher’ sur le conduit via des micro-turbulences, ces micro turbulence sont une sorte d’accélérateur des couches secondaires de la veine d’air.
    Donc, il vaut mieux avoir un conduit super propre dans les rayons, les plats (sans bosses), et une étude « aéro », que d’avoir un conduit « miroir » sans recherche.
    Le seul endroit ou l ‘effet miroir est utile est dans la chambre de combustion, ce qui évite (retarde) la formation de calamine.






    Les sièges de soupapes:

    Lorsque l'air arrive vers les sièges de soupapes, il doit franchir une forme de section différente, avec des grosses turbulences. Ces turbulences sont très importantes, elles conditionnent le mélange entre l’air et le carburant, grâce au changement de forme de section, de la forme de la chambre de combustion et du déplacement du piston. C’est uniquement à cet endroit que l’on va forcer l’air à faire des tourbillons, sans pour autant nuire au débit d’air.
    Le but est de créer les turbulences après les sièges de soupapes.
    Pour cela, on va privilégier le profil du siège en formant deux ou trois angles.
    On va prendre par exemple, un angle de 15°, un de 45° et finir la portée de soupapes avec un angle de 90° ou 120°, ce qui va permettre à l’air de ne pas avoir un décollement de la veine au niveau du changement de direction.
    On va bien sur, dans le but de gagner des chevaux, réduire la portée de soupape, mais attention à ne pas être gourmand, une portée de 1 mm est raisonnable sur un moteur de série, mais il faudra surveiller l’usure de l’ensemble assez souvent.
    Dans un but « aéro » il y a aussi la possibilité de réduire les queues de soupapes, en effet, le Cx de tige est de 0.9, c’est presque un mur à franchir. Aujourd’hui, certain préparateur utilise de tige de 5.5 mm ou 5 mm (même sur certain moteurs de série) au lieu d'une tige de 8 ou 7 mm.
    Il y a aussi la possibilité d’adoucir le profil de la soupape, de série, les soupapes sont souvent brutes de moulage, la forme de la tulipe peut être mieux finie, voir même être allégée si on veut prendre du régime.



    La chambre de combustion :

    Enfin, le voyage de la veine d’air arrive à sa fin, il ne reste plus qu’a allumer le feu.
    Le seul endroit qui doit être poli miroir, c’est la chambre de combustion, toute fois, bien prendre grade à bien arrondir les angles pour éviter la formation de cliquetis du à un point chaud (angle vif, favorable au cliquetis ).
    Sur un moteur atmo, le « rabotage » de la culasse est un bon moyen de gagner de la compression, ce qui est bon pour le couple à bas régime mais aussi pour les hauts régimes.
    Mais là aussi, il ne faut pas être gourmand.
    Pour les moteurs sous aspiration artificielle, on va garder le taux d’origine, voir de la diminuer pour nous permettre d’augmenter la pression de suralimentation.
    On va aussi travailler le dégagement de la soupape, l’air ne doit pas être arrêté par un obstacle à sa sortie de conduit d’admission, pour cela, on va modifier la forme de la chambre de combustion.




    Sur les moteurs atmo, en fonction de l’utilisation, le choix des arbres à cames est très important.
    comme la longueur des conduits, l’idée générale, les conduits longs sont pour les bas régime, et les court pour les hauts régimes ( l’artifice pour concilier les deux est l’admission à longueur variable).
    Après toutes modifications du système d’admission et échappement, le réglage de l’injection et de l’allumage doit être fait pour optimiser le travaille effectuer.

    Pour les moteurs turbo, le fait de polir les conduits est un plus, mais il sera moins flagrant que sur l’atmo.

    Il y a d’autre façon de gagner de la souplesse sur ces moteurs.
    - L’équilibrage aux petits oignons des turbines, comme ces turbines tournent à une vitesse de 90000 tr/min à 150000 tr/min, l’équilibrage est une façon d’amorcer plus facilement la rotation des turbines des les basses vitesse du moteur.
    - Garder la turbine d’échappement chaude, comme le turbo est une machine thermodynamique, il y a un intérêt de le garder bien chaud à l’aide de protection thermique pour lui permettre son réamorçage plus rapidement, mais il y a un risque de rupture du carter.
    - L’échangeur, le plus important est de refroidir l’air compressé, à la sortie du compresseur, l’air arrive à une température supérieure à 100°C. Il faut descendre la température, mais attention de ne pas faire un échangeur trop gros, trop volumineux pour éviter un temps de réponse trop long.
    - Le montage de l’injection d’eau.


    Voilà, nous avons vu les quelques améliorations possible que l’on peut faire sur un moteur d’origine.
    Il reste bien encore quelques petites astuces, chaque prépa est remplie de découvertes.


    Enfin, pour répondre à certaines questions :
    - Les turbulences au niveau du débitmètre est une mauvaise idée, car le débitmètre doit voir un flux simple sans turbulences pour être précis.
    - Les volumes sur un moteur turbo après compresseur agissent directement sur le temps de réponse, le choix d’un échangeur doit être un compromis entre temps de réponse /température d’air, un volume mort n’est pas une bonne idée.
    - Enfin, le calcul de taille de conduit à l’aide de petites formules magiques ne sont qu’une approche, la seule méthode idéale est la soufflerie culasse.
    Cet article a été publié à l'origine dans la discussion du forum : Optimisation des conduits ADM/ECH de serie commencé(e) par Babas Afficher le message original
    Commentaires 4 Commentaires
    1. Avatar de Kyle31
      Kyle31 -
      Bonjour, ton article est très intéressant, de plus pour avoir plus de précision sur les calculs (car il faut passer par une phase théorique avant de commencer ce genre d' opération) il existe un livre qui se nomme "la préparation des moteur" de Patrick Michel au édition E.T.A.I. Il explique tous ce que l on peut faire sur un moteur avec les calculs théoriques mais ceci n est que théorique et n apprend en aucun cas comment le faire donc si vous n avez aucune expérience mieux vaut s abstenir au risque de faire d' important dégât a son moteur comme expliquer sur cet article.
    1. Avatar de Ford Ranger
      Ford Ranger -
      comment améliorer la puissance d'un moteur sans faire appel au changement du design intérieur du moteur?? c.a.d ajouter du système Racinchip, ou modification du système d’entrée d'air et sortie d’échappement? ( pour un moteur ford ranger 2.5, 143 cv )
    1. Avatar de Trol76
      Trol76 -
      Heureux de voir quelqu'un contre le fait de meuler les guides de soupapes qui depassent!
      Merci pour l'article
    1. Avatar de Renololo
      Renololo -
      la seule méthode idéale est la soufflerie culasse
      Je vais demander à ma femme de souffler sur la culasse plutôt que dans mes oreilles ;)

      Publication très intéressante et renseignée, merci .
Journal du 4X4