L'admission

Le coefficient de remplissage ... ou "comment se débarrasser simplement d'un problème ennuyeux" ?

Les performances d'un moteur sont directement liées à la masse d'air qu'il parvient à ingérer. En effet, pour peu que le système d'alimentation en essence (carburation ou injection) fonctionne correctement, la masse d'air détermine la masse de carburant que l'on peut brûler dans le cylindre, ce qui pilote directement l'énergie dont on disposera à la sortie.
Si le mélange présent dans le cylindre se trouvait aux conditions "standard" de température et de pression, il serait simple, connaissant le volume, d'en déduire la masse. Ce n'est malheureusement pas le cas. On définit donc un coefficient de remplissage, rapport de la masse effectivement présente dans le cylindre à la masse qu'il contiendrait dans ces conditions standard.
Quelle est-elle, cette masse effectivement présente ? On n'en sait pas grand chose non plus, en fait. La seule chose que l'on peut déterminer précisément, c'est la masse admise, par exemple à l'aide d'un débitmètre. Mais cela ne nous renseigne pas sur les éventuelles pertes de balayage : la soupape d'échappement se fermant après la soupape d'admission (si ça ne vous dit rien, c'est sans doute que vous n'êtes pas allés sur la page parlant des diagrammes de distribution), une fraction du mélange fraîchement admis peut alors passer directement dans les tubulures d'échappement sans passer par la case compression/explosion, omettant ainsi, qui sait si ce n'est pas volontairement, le lâche, de payer son dû énergétique à la communauté.
Ces pertes là sont donc difficilement quantifiables, et compromettent nos chances de connaître la masse d'air réellement présente dans le cylindre une fois que toutes les issues en sont bouclées. Histoire de court-circuiter le problème, on assimile simplement masse admise et masse présente, ce qui signifie que le ratio de ces deux quantités, que l'on appelle aussi rendement de balayage, est supposé égal à l'unité.

De quoi dépend le coefficient de remplissage ?

1) De plusieurs choses (surprenant, non ?). Le premier rôle est joué par la distribution. Forcément, si les soupapes d'admission ne s'ouvrent jamais, il sera bien difficile de remplir quoi que ce soit. Plus sérieusement, le facteur le plus immédiatement perceptible est la "durée" (en termes d'angle de rotation vilebrequin) d'ouverture des soupapes. Plus l'avance à l'ouverture et le retard à la fermeture de l'admission sont importants, meilleur sera le remplissage, aurait-on tendance à dire. C'est partiellement vrai, et il y a des compromis à faire selon le type d'utilisation auquel on destine le moteur.
Pourquoi est-ce seulement partiellement vrai ? Déjà parce qu'on ne peut pas augmenter indéfiniment AOA et RFA, évidemment.
Si l'avance à l'ouverture est trop importante, on prend le risque d'un "contre-balayage" lors du croisement. Ceci signifie que des gaz brûlés peuvent ressortir par l'admission, soit si la contre-pression à l'échappement est trop forte (à pleine charge), soit si la pression à l'admission est trop faible, notamment à charge partielle à cause de la perte de charge engendrée par le papillon qui limite le débit d'air.
Si l'on n'a pas de contre-balayage mais au contraire un sur-balayage (transfert direct d'air à l'échappement), ce sont les problèmes de consommation excessive et de pollution qui peuvent devenir critiques.
Sur un moteur de série, on limite donc le croisement en maintenant AOA entre 5° et 15°. Sur un moteur de compétition, en revanche, les soucis de pollution et de stabilité du ralenti et des charges partielles ne se posent pas, et on monte alors à des valeurs nettement plus élevées (50, voire 70°).
En ce qui concerne le retard à la fermeture de l'admission, les conséquences d'un angle exagéré sont plus faciles à cerner : si la vitesse de rotation du moteur est faible, l'inertie de la colonne gazeuse l'est également. Dans ce cas, si la soupape d'admission se ferme trop longtemps après le début de la remontée du piston, les gaz frais risquent d'être refoulés (si vous arrivez en courant dans un métro bondé, vous avez de bonnes chances d'y entrer, même s'il faut pour cela écraser quelques pieds, mais vous n'y resterez que si les portes se ferment vite derrière vous. Dans le cas contraire, vous serez probablement reexpulsés. Et si vous arrivez en marchant, vous n'aurez aucune chance ...). A haut régime, l'inertie de la colonne gazeuse est importante, ce dont on essaie de profiter en augmentant RFA. Ceci explique qu'un moteur de compétition se caractérise par un RFA nettement plus élevé qu'un moteur de série.

2) La levée des soupapes conditionne également la quantité de mélange admis dans le cylindre. Plus elles se lèvent vite et loin de leur siège, plus la section disponible pour le passage des gaz sera importante, et plus ce passage sera facilité. La vitesse de levée des soupapes, commandée par le dessin des cames, est limitée par la capacité de l'ensemble du système de distribution à supporter les accélérations imposées. La notion de perméabilité permet de quantifier l'efficacité d'une loi de levée, en pourcentage, par rapport à une loi idéale (pour laquelle la soupape s'ouvre instantanément).

Si S(a) est la section de passage des gaz correspondant à un angle a de rotation du vilebrequin, on définit une section équivalente moyenne

S_moy = (a₂-a₁)^-1 Int_a1=>a2 [S(a).da]

où a₁ et a₂ sont les angles réels d'ouverture et de fermeture de la soupape. En toute rigueur, il faut corriger la section géométrique de passage des gaz par un terme, qu'on peut appeler coefficient de débit (c_d), qui tient compte de la perte de charge, perte de charge qui varie elle-même selon la levée de la soupape. La section équivalente sera donc plutôt calculée à partir de la moyenne de cette "section débitante" S_d = c_d.S
L'efficacité est alors donnée par le rapport S_moy/S_max où S_max est la section maximale atteinte pendant la levée.

Le passage de la soupape

Lorsque la vitesse du flux gazeux au passage d'un obstacle atteint localement la vitesse du son, tout changement de pression en aval de cet obstacle ne peut plus être communiqué à l'amont. La conception de la distribution dans un moteur est largement conditionné par le souhait de ne pas dépasser la vitesse du son au passage de la soupape d'admission.

Si, pour les faibles levées, le flux ne se décolle quasiment pas des parois (du siège et de la soupape), la situation est différente pour les fortes levées, où le flux est complètement décollé. En conséquence de quoi il n'est pas forcément nécessaire d'augmenter la levée au-dessus d'une certaine limite, puisque le flux n'utilise déjà pas la totalité de la section disponible.

On considère souvent abusivement que la section disponible pour le passage du mélange est celle du cylindre de rayon r et de hauteur L. Il est pourtant plus juste d'écrire qu'elle est égale à \pi (r+r_i) L cos (a_s), où a_s est l'angle du siège de soupape.
r_i / r est typiquement compris entre 0.85 et 0.90. On peut ainsi calculer la valeur de levée pour laquelle le flux n'est plus limité que par la section du conduit d'admission. Il s'agit de la valeur de L pour laquelle on a : \pi (r+r_i) L cos (a_s) = \pi r_i². Soit, pour r_i = 0.9 r et un angle de siège de 45°, L ~ 0.6 r. En règle générale, on considère qu'une levée égale à r/2 constitue une valeur suffisante.

Relation entre vitesse du piston et vitesse du flux à la soupape

Dans l'hypothèse où le flux gazeux est incompressible et sans viscosité, la conservation du débit permet de relier la vitesse v_p du piston à la vitesse théorique v_th du flux à la soupape. On a en effet dans ce cas

v_p.a² = v_th.r²

où a est l'alésage et r est défini dans la figure ci-dessus. Mais on vient de voir que la section "utile" est en réalité inférieure à la base du cylindre de rayon r, et on sait que notre flux gazeux n'est pas idéal. On peut pour tenir compte de ce fait introduire un coefficient c tel que la vitesse réelle v_r soit donnée par v_r = c.v_th. Ce coefficient étant instantané, on peut en calculer une moyenne temporelle c_moy sur l'ensemble de la phase d'ouverture de la soupape d'admission, comme cela a été fait un peu plus tôt pour le calcul de la section équivalente moyenne. En première approximation, compte tenu de la similitude entre un profil de came et une sinusoïde, on peut considérer que c_moy = c_max/2. Une fois que l'on a ce coefficient moyen, on peut calculer une vitesse moyenne à la soupape, puis un "nombre de Mach global" qui indique le rapport entre cette vitesse moyenne et la vitesse du son. Des essais menés ont permis de constater que l'efficacité du remplissage chute considérablement dès que ce nombre de Mach dépasse environ 0.6 (ce qui signifie que le nombre de Mach "instantané", c'est-à-dire non moyenné, peut dépasser l'unité).

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