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Chambres de combustion (essence)



par François Dovat

Si le volume de la chambre de combustion détermine le rapport volumétrique, sa forme a une influence prépondérante sur le rendement thermodynamique du moteur. La chambre doit permettre une bonne propagation du front de flamme, présenter la surface la plus faible possible pour un volume donné, procurer une disposition des soupapes qui facilite les échanges de gaz, limite les pertes par pompage et assure un remplissage du cylindre favorable. Elle doit aussi causer une certaine turbulence du mélange gazeux pour éviter la séparation air-essence et assurer une combustion optimale, sans détonation.

Dans le but de simplifier la distribution, jusqu'à la fin des années 40 la plupart des moteurs d'automobile de grande série comportaient des soupapes latérales. Cette configuration réduisait les coûts de production et la hauteur du moteur. Un concept du au grand physicien Harry Ricardo permit d'obtenir une forte turbulence à l'admission ainsi qu'en fin de compression grâce à une surface de coincement ("squish") entre la tête de piston et la culasse.

Figure 2: Chambre Ricardo pour soupapes latérales

Figure 3: anciennes formes de chambres de combustion (cliché Alpha Auto)

Il en résultait cependant une chambre d'un rapport surface/volume déplorable qui provoquait d'importantes pertes par transfert thermique aux parois. Lorsque de l'essence d'indice d'octane plus élevé fut commercialisée, après la guerre, on put augmenter les taux de compression au delà de 6 ou 7:1. Pour cela il fallait réduire le volume de la chambre de combustion et les soupapes latérales ne le permettaient guère sans détériorer encore le rapport surface/volume.

On savait bien entendu qu'une forme plus ou moins hémisphérique, comme les moteurs de course en disposaient depuis longtemps, était avantageuse tant au point de vue surface/volume que par la possibilité d'y loger des soupapes de gros diamètre ainsi que par le placement central de la bougie qu'elle permettait. En outre, la disposition en V des soupapes procurait un excellent remplissage, les canaux d'admission étant situés d'un côté de la culasse et ceux d'échappement de l'autre. Tant qu'un taux de compression inférieur à 8,5:1 n'exigeait pas de pistons très bombés, cette solution procurait un relativement bon rendement. Néanmoins, l'angle entre les soupapes compliquait l'usinage de la culasse et le dessin de la distribution. Ce problème était solutionné sur les moteurs de course par l'adoption de 2 arbres à cames en tête entraînés par train d'engrenages ou par chaîne, mais cela induisait des coûts de production élevés et compliquait la dépose de la culasse lors des décrassages qui étaient couramment pratiqués l'époque. Aussi les constructeurs choisirent-ils de conserver un arbre à cames unique dans le bloc-moteur et d'actionner les soupapes par l'intermédiaire de tiges et culbuteurs. Peugeot et Chrysler optèrent pour la chambre hémisphérique tout en conservant l'arbre à cames latéral ou, respectivement, au centre du V de leurs V8. (voir notre dossier http://www.histomobile.com/histomob/tech/2/131.htm).

Mais la plupart renoncèrent à la forme hémisphérique et adoptèrent une chambre de combustion en coin qui permettait de garder les soupapes parallèles tout en ménageant facilement une surface de "squish". Cette conception est encore utilisée aujourd'hui sur quelques moteurs, notamment sur le fameux Chevrolet "Small block" apparu en 1954.

Figure 4: Chevy small block

Figure 5: VW VR6

Les VW VR 6 et VR 5 (premières versions) avaient également des chambres de combustion en coin, mais l'angle du V (15° , soit 7°30' entre chaque cylindre et le plan de joint de culasse) ne ménageait pas un volume de chambre suffisant avec la culasse plate, si bien que la chambre était partiellement creusée dans le piston.

Toujours dans le but de simplifier l'usinage de la culasse, la chambre de combustion Heron (utilisée notamment sur les Alfasud, Rover 2000, Ford GB et Jaguar V12 dans les années 70) était entièrement située dans le piston. Ce dernier était de ce fait alourdi et la surface de sa tête fortement accrue d’où un important transfert thermique.

Cependant, l'apparition des culbuteurs sur rotules avait permis une autre innovation : incliner les soupapes sur deux plans, ce qui donna naissance à des chambres de combustion de forme complexe sur les puissants V8 Chevrolet "Big Block" et Ford "Cleveland".

Figure 6: culasse préparée de Big block Chevrolet

On a amélioré la chambre hémisphérique en la déformant afin de créer des surfaces latérales de "squish". Quelquefois, un double allumage procure une propagation du front de flamme à partir de deux foyers, ce qui garanti une combustion rapide malgré un piston bombé.

Figure 7: double allumage sur le Dodge New Hemi.

BMW E21

Les angles entres les soupapes ont été fortement réduits de façon à éviter la nécessité de pistons excessivement bombés. De quelque 90° dans les années 30 à 50, les moteurs actuels sont passés à environ 40° et 4 soupapes par cylindre au lieu de 2.

Figure 8: chambre en toit à 4 soupapes et double allumage (Alfa-Romeo)

Les avantages de 4 soupapes par cylindre furent reconnus très tôt puisque beaucoup de moteurs de course et d'avions en ont été munis depuis bientôt un siècle. Des soupapes plus petites sont moins lourdes et elles permettent des régimes élevés sans affolement de la distribution. En outre, la surface dégagée par leur ouverture est plus grande pour un alésage du cylindre donné.

En automobile, ce concept est revenu à la mode depuis que Mike Costin et Keith Duckworth en dotèrent leur fameux Cosworth DFV qui remporta 155 victoires en Formule 1 entre 1967 et 1983. Afin de pouvoir actionner les soupapes sans complications mécaniques inextricables, on les aligne deux par deux, les admissions d'un côté et les échappements de l'autre, ce qui donne une chambre de combustion en toit. Des surfaces de squish sont généralement prévues latéralement.

Figure 9: chambre en toit avec surfaces de squish

Ce type de chambre procure un bon rendement en raison d'un excellent remplissage, un rapport surface volume favorable, un logement central de la bougie et la possibilité d'un taux de compression relativement élevé grâce à une bonne résistance à la détonation. Les puissances spécifiques qu'elle permet d'atteindre sont supérieures et les émissions toxiques sont contenues.

Néanmoins, le couple et la puissance maximum sont déplacés vers les hauts régimes, ce qui est favorable pour un moteur de course ou d'avion mais l'est beaucoup moins pour un véhicule routier.

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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