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RÉSUMÉ
Cet article fournit une analyse détaillée de l’acyclisme du moteur à 3 cylindres en ligne. Les forces, couples et moments liés à la pression des gaz et aux inerties sont explicités et des formules facilement utilisables par le lecteur sont données. L’analyse temporelle (ou angulaire) et l'analyse harmonique du couple instantané du moteur à 3 cylindres en ligne sont présentées. S'ensuit une comparaison systématique des comportements en acyclisme des moteurs à 3 et 4 cylindres en ligne, ainsi qu’une comparaison entre moteurs essence et diesel. Enfin, deux études utiles pour tous types de moteurs sont proposées (modélisation dynamique de la bielle et inerties des parties tournantes du moteur).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Elian BARON : Ingénieur-Docteur - Expert Chaîne Cinématique - Renault Automobiles, Guyancourt, France
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Jean-Louis LIGIER : Ingénieur-Docteur - Professeur de Mécanique - HEIG-VD, Yverdon, Suisse
INTRODUCTION
L’acyclisme d’un moteur fait partie des phénomènes que les motoristes mettent sous contrôle, les aspects bruits et vibrations revêtant de nos jours une importance particulière, au même titre que la performance ou la consommation. La notion d’acyclisme est définie dans un précédent article [BM 2 588], relatif au moteur monocylindre ; nous rappelons que l’acyclisme peut être présentée comme la non-uniformité de rotation du vilebrequin pendant un cycle de fonctionnement. Un second article [BM 2 589] s'intéresse à l’acyclisme du moteur 4 cylindres, vu comme une association de moteurs monocylindres. Si le moteur à 4 cylindres en ligne reste en effet aujourd’hui le plus utilisé dans le monde de l’automobile, il convient aussi d’étudier l’acyclisme du moteur à 3 cylindres en ligne. En effet, ce type de moteur est aujourd’hui de plus en plus utilisé sur les véhicules d’entrée de gamme, notamment pour minimiser la consommation. Il n’est cependant pas sans inconvénient, notamment d’un point de vue acoustique et vibratoire. Les acyclismes du moteur 3 cylindres sont génétiquement plus marqués que ceux du moteur à 4 cylindres dont il dérive en général.
Dans cet article consacré à l’acyclisme du moteur à 3 cylindres, nous restons fidèles à notre approche systématique, en détaillant chaque notion de façon précise et progressive. De façon systématique également, des exemples numériques sont fournis, le plus souvent de façon graphique, l’acyclisme étant pratiquement assez « visualisable ».
On ne peut traiter de l’acyclisme du moteur à 3 cylindres sans le comparer à son « grand frère » à 4 cylindres (essence et diesel). Les principales grandeurs relatives à ces deux types de moteurs sont rappelées et mises en perspective sous forme de tableaux, moyen le plus efficace pour synthétiser l’ensemble sous la forme d’un outil simple et utilisable.
Enfin, nous explicitons le comportement dynamique de la bielle (approche valable quel que soit le type de moteur thermique considéré : 3 cylindres, 4 cylindres, essence ou diesel) et nous fournissons au lecteur les ordres de grandeur des principales inerties rotatives des éléments constitutifs de l’attelage mobile (volant d’inertie, mécanisme d’embrayage, vilebrequin, poulie d’entraînement de distribution, bielle, piston).
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.
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Grandeurs fondamentales moteurs 3 et 4 cylindresArticle inclus dans l'offre
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2. Comparaison 3 et 4 cylindres
Le moteur à 4 cylindres est aujourd’hui le plus répandu. Cependant, la demande d’une nouvelle génération de moteurs économiques s’est précisée ces dernières années. Il a alors paru assez naturel de penser au moteur à 3 cylindres, d’autant que ce dernier peut dériver directement d’un 4 cylindres déjà dans la gamme. Nous allons donc comparer ces deux types de moteurs, en se limitant bien entendu aux aspects directement liés à l’acyclisme, cœur du sujet de cet article.
2.1 Comparaison des couples instantanés
Sur la figure 15, on présente des comparaisons de couples instantanés pour les deux types de moteurs, 3 et 4 cylindres, ceci pour deux régimes particuliers, 2 000 tr.min−1 et 5 600 tr.min−1. Il faut préciser que les données de base utilisées pour les calculs sont les mêmes : mêmes cylindres unitaires, même courbes de pression, etc. Ceci est d’autant plus justifié qu’un moteur à 3 cylindres dérive souvent d’un moteur à 4 cylindres déjà existant.
Comme nous l’avons vu, l’acyclisme n’a pas le même contenu spectral suivant le type de moteur, 3 ou 4 cylindres. Pour le moteur à 3 cylindres, le couple instantané est principalement constitué de l’harmonique 1,5, lui-même lié à la combustion. Les masses alternatives n’interviennent que sur l’harmonique 3. Ceci est une différence fondamentale par rapport au moteur à 4 cylindres, où combustion et masses alternatives interviennent sur le même harmonique, en l’occurrence l’harmonique 2.
Sur les figures 15 a et 15 b , on compare les couples instantanés (pour les deux régimes retenus) de moteurs à 3 et 4 cylindres ayant les mêmes caractéristiques unitaires (cylindrée, pression, etc.). Les maximums sont similaires pour les deux types de moteurs. Les couples moyens, quant à eux, sont fonction du nombre de cylindres. Si on appelle C moy(4) et C moy(3) les couples moyens des moteurs à 4 cylindres et à 3 cylindres respectivement, on aura C moy(3) = 3/4.C moy(4). Le tableau 1...
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Comparaison 3 et 4 cylindres
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SWOBODA (B.) - Mécanique des moteurs alternatifs. - Technip (1984).
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(2) - BRUN (R.) - Science et technique du moteur diesel industriel et de transport. - Tome 2, Technip (1961).
-
(3) - LUMLEY (J.L.) - Engines : An Introduction. - Cambridge University Press (1999).
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(4) - ARQUÈS (P.) - Moteurs alternatifs à combustion interne. - Masson (1987).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Moteurs alternatifs à combustion interne – Désignation du sens de rotation et des cylindres et des soupapes dans les culasses, et définition des moteurs en ligne à droite et à gauche et des emplacements sur un moteur. - NF ISO 1204 - 1999
-
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 3 : mesurages pour les essais. - NF ISO 3046-3 - 2006
-
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 4 : régulation de la vitesse. - NF ISO 3046-4 - 2010
-
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 5 : vibrations de torsion. - NF ISO 3046-5 - 2002
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Moteurs alternatifs à combustion interne – Vocabulaire des composants et des systèmes – Partie 1 : structure du moteur et de ses capotages. - NF ISO 7967-1 - 2005
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Moteurs alternatifs à combustion interne – Vocabulaire des composants et des systèmes – Partie 2 : mécanismes principaux. - NF ISO 7967-2 - 2011
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ANNEXES
Analyse dynamique et acyclisme
Comatec, Heig-Vd, 1 route de Cheseaux, 1400 Yverdon-les-bains, Suisse.
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