Préparation du haut-moteur

Description des différents composant du haut-moteur

Le cylindre :

Le cylindre est la pièce maîtresse du moteur. C'est à l'intérieur de celui-ci que la combustion a lieu et où l'énergie thermique est transformée en énergie mécanique grâce au couple piston/bielle. Attention, son fonctionnement n'est pas aussi simple que ça :

Les transferts et les lumières :

Un transfert une sorte de canal (ou de tunnel) qui transporte le mélange air/essence-huile du bas moteur vers l’intérieur du cylindre lorsque le piston, dans sa course descendante, crée une dépression dans le cylindre. Les transferts ont une ouverture sur le bas moteur et débouchent dans le cylindre. Les orifices de ces transferts portent le nom de lumières. Ces lumières sont ouvertes ou fermées suivant la position du piston, ce qui a pour but de conduire ou non le mélange. On a très souvent 5 transferts sur un cylindre : 4 transferts latéraux est un transfert indépendant situé à l’arrière du cylindre. Ce dernier transfert a une grande importance dans la mesure où il effectue le "balayage" (le fait de chasser les gaz brûlés vers l'échappement grâce au flux de la charge fraîche) et permet aussi une ouverture anticipée des clapets d'admission.

Exemple : Sur le cylindre Malossi MHR :

« Ils débouchent à l’intérieur du cylindre » :

Sur l'image ci-dessus, on distingue en plus des transferts un booster et une lumière d’échappement. Leur rôle est de libérer les gaz brûlés après la combustion du mélange. Le canal d’échappement débouche sur le pot et permet l’évacuation des gaz. Le booster favorise cette évacuation. Le pot d’échappement joue un grand rôle dans le fonctionnement et le caractère du moteur.

L’influence des formes et des sections des transferts sur le fonctionnement du moteur :

Le rôle du transfert est donc de transmettre la charge fraîche des carters vers le cylindre. Ceci dit, imaginons un peu le temps que doivent mettre ces gaz pour parcourir cette distance à plus de 10000 t/min, sans compter que le piston referme assez tôt les lumières d’admission. Même avec de très faibles notions en mécanique des fluides ont imagine très bien que ce parcours doit se dérouler dans des conditions optimales. De plus, augmenter le régime moteur signifie augmenter la quantité de mélange admise. On comprend donc que la forme et l’état des transferts est très important. Plusieurs paramètres rentrent alors en compte :

La forme du transfert : il ne doit pas y avoir d’obstacles et leur surface doit être le plus lisse possible. De plus, il faut éviter au maximum les angles vifs.La section du transfert doit décroître progressivement pour créer un effet venturi afin d’augmenter la vitesse des gaz.Les lumières doivent avoir une forme assez rectangulaire pour qu’il y est apparition de vortex qui limitent le décollement de la couche limite.- Enfin les lumières ne doivent pas être trop larges ou trop hautes sous peine de mauvais résultats.

L’importance de la forme du transfert :

Comme nous l’avons dit précédemment la forme du transfert influe énormément : il faut éviter à tout prix les angles vifs qui sont à la base de nombreuses turbulences qui pénalisent l’écoulement des flux. On obtient une perte de couple et de puissance non négligeable. La forme rectangulaire des transferts permet l’apparition de vortex qui plaque la couche limite sur les parois du transfert et permet un meilleur écoulement du mélange.

Enfin, il est utile de savoir que l’inclinaison du dernier centimètre du transfert détermine aussi le caractère du moteur : plus la sortie est horizontale, plus le moteur tend à être puissant. A l’inverse, plus l’angle est important, plus le moteur tend à être coupleux.

L’importance de la section du transfert :

Définition de l’effet venturi.

Maintenant que l’on connaît l’effet venturi on comprend qu’il est préférable de l’utiliser avec les transferts. Cependant il faut faire un choix : une faible section de transfert favorise une importante vitesse de passage et convient bien aux moteurs coupleux. Néanmoins cette disposition ne convient pas aux régimes élevés car la charge admise n’est pas assez conséquente. Il faut donc dans ce cas agrandir l’entrée du transfert, ce qui permet l’admission d’une charge plus importante à hauts régimes où l’écoulement est presque continu car la vitesse de transfert des gaz est plus faible.

En conclusion, on doit choisir une section conduit adaptée à l’utilisation qu’on souhaite avoir et ne pas agrandir démesurément ceux-ci. De plus agrandir un transfert signifie garder une cohérence avec les autres il faut donc tous les agrandir. De plus il sera fort souhaitable d’agrandir aussi le canal d’échappement pour permettre une évacuation des gaz plus importante. De même il est totalement inutile de trop élargir ou de trop agrandir les lumières de l’intérieur du cylindre sous peine d’obtenir de mauvais résultats. Il est très important de garder une cohérence sauf exceptions (ex : moteurs de karts).

L’échappement et les boosters :

Leur rôle est d’évacuer les gaz. Bien sûr la lumière d’échappement est plus haute que les lumières d’admission et est donc ouverte plus tôt ce qui est compréhensible car les gaz frais se mélangeraient avec les gaz brûlés. Son temps d’ouverture contribue au comportement du moteur. Moteur puissant = grand temps d’ouverture/moteur coupleux = faible ouverture. Il faut aussi prendre en compte le pourcentage par rapport au diagramme d’échappement, de la différence entre le diagramme d’échappement et le diagramme d’admission. Par exemple si l’on a 193° echappement/126° admission : 193-126=67 ce qui représente environ 35 % du diagramme d’échappement qui vaut 193. Plus cette différence est élevée, plus le moteur sera pointu. Il est très important de rappeler que une partie des gaz frais entre dans le pot d’échappement mais sont ré-aspirés lorsque le piston remonte.(grâce au corps de résonnance)

Influences des diagrammes d’échappement et d’admission :

Un diagramme est l’angle de rotation du vilebrequin pendant lequel une lumière est ouverte ou fermée. On parle presque dans tous les cas des diagrammes d’ouverture. On peut parler des diagrammes d’admission et d’échappement. Il existe aussi les diagrammes d’allumage. Sa valeur est toujours faible car il représente la distance en mm entre la position du piston et le PMH lorsqu'a lieu l’étincelle. On parle par exemple de 3mm avant le PMH.

Nous avons parlé plus haut de l’influence du diagramme d’échappement. Il est aussi indispensable de parler du diagramme d’admission. En effet ceux-ci définissent la plage d’utilisation du moteur. En effet, plus ce diagramme est élevé, plus la lumière reste découverte longtemps et plus il y a quantité de mélange admit et donc la plage d’utilisation se voit déplacée vers le haut. Néanmoins la plage utilisable est réduite. On dit que le moteur est « pointu », il est plus difficile à maîtriser.

La culasse :

Les culasses sont généralement fabriquées en aluminium afin de mieux dissiper la chaleur. Elle contient le plot qui définie la chambre de combustion. Parfois le plot et la culasse sont indépendants, en deux morceaux car ceci permet de mieux faire évacuer la chaleur. En effet, la chaleur à une importance capitale dans le fonctionnement du moteur car si elle est trop importante elle peu enflammer le mélange avant qu’il soit complètement comprimé il en résulte alors des détonations et la dégradation de l’équipage mobile.De nos jours les culasses des moteurs deux temps sont quasiment toutes hémisphériques, c'est-à-dire que la chambre de combustion possède la forme d’un dôme. Cette forme procure plusieurs avantages tels que la répartition des ondes de pressions et une propagation de la combustion uniforme.

Plan en coupe d’une culasse :

Rapport volumétrique et zone de Squish

Dans ce chapitre nous allons parler :

• du rapport volumétrique de compression
• de la zone de squish

Le rapport volumétrique de compression :

Le rapport volumétrique de compression, communément appelé taux de compression ou rapport de compression représente le nombre de fois théorique qu’est compressé le mélange entre le volume au PMB et le volume au PMH (donc le volume de la chambre de combustion). On peut parler par exemple d’un rapport de 15 :1.

Ce rapport est égale à : ( volume du cylindre + volume de la chambre de combustion ) / ( volume de la chambre de combustion )

Plus ce rapport est élevé, plus le rendement thermique sera important et donc les performances seront au rendez-vous. On pourrait croire qu’il suffit alors de réduire au maximum la chambre de combustion afin d’augmenter le taux de compression mais dans la pratique ont ne peut pas dépasser une valeur limite du rendement. En effet passé une certaine valeur (environ 65%) le rendement thermique n’augmente plus.

Pourtant, toutes ces valeurs sont théoriques. En effet ceci n’est valable qu’avec un rendement volumétrique égale à 100% ce qui n’est jamais le cas dans la réalité. Pour un moteur deux temps à refroidissement liquide on choisira un taux de compression qui varie entre 14 :1 et 16 :1. Pour les moteurs pointus il faut privilégier un rapport de 14 :1 car une compression trop importante limite les hauts régimes.

Il est assez compliqué faire varier le taux de compression. On peut influer sur l’épaisseur du joint d’embase mais ce n’est pas très pratique car on modifie les diagrammes par la même occasion mais surtout la zone de squish. Pour diminuer ce rapport il reste la solution de « raboter » le haut du cylindre de quelques dixièmes de millimètres. Le mieux est de confier ça à un professionnel qui à l’outillage approprié car il ne faut pas qu’il y est des défauts d’orthogonalité. Si l’on veut diminuer le rapport il faut usiner la chambre de combustion. Là aussi on confiera ce travail à un pro car la chambre de combustion doit être parfaitement uniforme pour qu’il y est une combustion équitable.

La zone de squish :

Tout autant que le rapport volumétrique de compression la zone de squish à son importance. Elle sert à rediriger les gaz vers la bougie alors que la combustion a déjà débutée. Il en résulte une accélération et une amélioration de la combustion et améliore donc sensiblement le rendement thermique. Un squish bien étudié aura l’avantage d’augmenter les performances, de réduire la sensibilité de l’avance à l’allumage (dans des proportions raisonnables) et de réduire aussi la nécessité d’avoir une carburation parfaitement réglée.

La surface du squish :

Elle doit être égale à environ 45% de la surface du piston. Pour les moteurs très poussés et dans un environnement de combustion optimal on peut prévoir 50%.

La direction du squish :

L’orientation du squish n’est pas négligeable. En effet si le flux est dirigé vers la bougie, l’explosion ne sera que meilleure. On aura alors un moteur coupleux capable de se relancer facilement. Par contre, si on oriente le flux horizontalement, celui ne rentrera dans la combustion qu’au second plan. Il en résulte un gain de puissance car une sorte de combustion supplémentaire qui pousse le piston alors qu’il est déjà dans sa course descendante. C’est le même principe qu’avec une balançoire. Si on la pousse lorsque qu’elle s’éloigne de nous on augmente sa vitesse. Par contre, cette force est dépendante de la pousser de départ car elle n’a pas beaucoup d’effets si la balançoire s’éloigne avec une faible vitesse. On peut dire que la balançoire représente le piston, c’est la même chose.

L’épaisseur du squish :

Très souvent l’épaisseur de cette zone est trop importante, grande série oblige. Cette épaisseur influe sur la fiabilité du moteur. Si il y a une valeur trop faible est une dilatation trop importante de l’équipage mobile à cause de la chaleur, le piston vient taper dans la culasse et on imagine la suite…En général, les constructeurs prévoient environ 0.3 mm par centimètre d’alésage. Pour un piston de diamètre 50mm l’épaisseur de la zone est de 1,5mm ce qui est vraiment trop important. L’épaisseur optimale est atteint lorsque le piston frôle la zone de squish à hauts régimes. Sur les moteurs extrêmement préparés, l’épaisseur peut approcher les 0,15mm. Autant dire que les matériaux employés pour l’équipage mobile est de grande qualité car avec une épaisseur aussi faible la moindre dilatation ne pardonne pas. Le mieux est donc d’adapter l’épaisseur du squish suivant plusieurs paramètres : la qualité du piston et la qualité du vilebrequin et l’alésage.