Configuration des moteurs expliquée : Moteurs en ligne, en V et à plat

Au début du XX^e siècle, alors que l’ingénierie automobile avançait à toute allure, un moteur de 10 litres pouvait être aussi bien un monocylindre qu’un huit cylindres en ligne, par exemple. À l’époque, personne ne sourcillait devant un six cylindres en ligne de 23 litres ou un moteur d’avion radial à sept cylindres transplanté dans une voiture.

Avec l’essor de la production de masse et l’intensification des pressions sur les coûts, tout s’est mis en place. Le moteur monocylindre est devenu une relique du passé. Aujourd’hui, la cylindrée moyenne par cylindre dans un moteur de voiture conventionnel se situe entre 300 et 600 centimètres cubes, avec une puissance spécifique allant d’environ 35 ch/l pour un diesel atmosphérique à 100 ch/l pour un moteur à essence haute performance. Ce sont les plages optimales pour la production de masse — s’en écarter n’est tout simplement pas rentable.

À quoi ressemble donc le paysage moteur moderne ? De manière générale :

• Un moteur de 100 ch dispose généralement de quatre cylindres
• Un moteur de 200 ch tourne habituellement avec quatre, cinq ou six cylindres
• Un moteur de 300 ch utilise couramment huit cylindres

Mais comment ces cylindres peuvent-ils être disposés ? Quelles options de configuration s’offrent aux ingénieurs lors de la conception d’un moteur multicylindre ? Décortiquons tout cela.

Moteurs en ligne : Simples mais de plus en plus inadaptés

La première question que se pose tout concepteur de moteur est comment simplifier la conception — maintenir les coûts de production bas et faciliter la maintenance. Sur ce point, le moteur en ligne remporte haut la main. Les cylindres sont disposés en une seule rangée, et augmenter la cylindrée est aussi simple qu’en ajouter davantage.

Voici comment se déclinent en pratique les variantes de moteurs en ligne :

• Les moteurs deux et trois cylindres sont relativement rares dans les voitures, bien que le format bicylindre fasse son retour grâce à l’injection de carburant avancée et au turbocompresseur — le bicylindre turbocompressé de 85 ch de la Fiat 500 en étant un exemple emblématique.
• Le quatre cylindres en ligne est le cheval de bataille du monde des voitures particulières, couvrant des cylindrées de 1,0 à 2,4 litres.
• Les moteurs cinq cylindres en ligne constituent un développement plus récent. Mercedes-Benz a été le pionnier du cinq cylindres diesel en 1974 (la 300D sur la plateforme W123), suivi deux ans plus tard par le cinq cylindres essence deux litres d’Audi, puis Volvo et Fiat à la fin des années 1980.
• Les moteurs six cylindres en ligne, longtemps le favori européen pour leur douceur, sont devenus de plus en plus rares. Leur cousin encore plus long, le huit cylindres en ligne, a effectivement été abandonné dès les années 1930.

La raison de cette tendance est simple : plus on ajoute de cylindres, plus le moteur s’allonge — et cela crée de sérieux problèmes d’encombrement. Loger transversalement un six cylindres en ligne dans un compartiment moteur à traction avant, par exemple, n’a été réalisé que dans une poignée de cas : l’Austin Maxi 2200 (qui nécessitait que la boîte de vitesses soit glissée sous le moteur) et la Volvo S80 avec sa boîte de vitesses ultra-compacte.

Moteurs en V et à plat : Compacts mais complexes

Comment raccourcir un moteur en ligne ? La solution élégante : le diviser en deux, placer les deux moitiés côte à côte et entraîner un seul vilebrequin avec les deux. C’est l’essence même du moteur en V.

Les configurations de moteurs en V les plus courantes utilisent un angle d’ouverture de 60° ou 90° entre les rangées de cylindres. Pousser cet angle jusqu’à 180° — les cylindres pointant directement dans des directions opposées — donne un moteur à plat, également connu sous le nom de moteur boxer (d’où les désignations B2, B4, B6).

Les compromis par rapport à un moteur en ligne sont significatifs :

• Deux culasses — chacune avec son propre joint et ses collecteurs
• Plus d’arbres à cames et un arrangement de distribution de soupapes plus complexe
• Plus grande largeur (surtout pour les moteurs à plat), ce qui limite les possibilités d’installation
• Coût de fabrication plus élevé et entretien plus complexe

En raison de ces inconvénients, les moteurs à plat ne sont utilisés que par un petit nombre de constructeurs — Porsche et Subaru étant les plus notables aujourd’hui.

Et si l’on rendait un moteur en V encore plus compact en réduisant l’angle d’ouverture en dessous de 60° ? C’est déjà été fait — la Lancia Fulvia des années 1970 utilisait un V4 avec un angle de seulement 23°. Mais il y a un inconvénient : plus l’angle est étroit, plus le moteur est difficile à équilibrer. Ce qui nous amène à l’un des défis les plus critiques de la conception des moteurs.

Vibrations moteur : Forces, couples et comment les maîtriser

Aucun moteur à combustion interne à pistons n’est entièrement exempt de vibrations — c’est inhérent à la conception. Mais gérer les vibrations est crucial, non seulement pour le confort des passagers. Des vibrations déséquilibrées sévères peuvent physiquement détruire des composants du moteur, avec toutes les conséquences catastrophiques qu’entraîne le détachement de pièces à grande vitesse.

D’où proviennent les vibrations du moteur ? Il y a trois sources principales :

• Intervalles d’allumage irréguliers — dans certaines configurations de moteur, les temps de puissance ne s’enclenchent pas à des intervalles parfaitement égaux, créant des ondulations de couple. Un volant moteur plus lourd peut aider à lisser cela.
• Forces d’inertie des pistons — lorsque les pistons accélèrent vers le haut et décélèrent en haut de leur course (et vice versa en bas), ils génèrent des forces inertielles similaires à ce que l’on ressent lorsqu’une voiture freine ou accélère.
• Géométrie de la bielle — la bielle ne se déplace pas en ligne droite, et le mouvement du piston n’est pas un sinus parfait, ce qui introduit des composantes de force supplémentaires à des multiples de la vitesse du vilebrequin.

Ces forces inertielles d’ordre supérieur sont généralement négligeables — à l’exception des forces du second ordre, qui agissent au double de la fréquence du vilebrequin et doivent toujours être prises en compte. Lorsque les forces inertielles dans des cylindres adjacents agissent dans des directions opposées à une distance fixe l’une de l’autre, elles génèrent également des couples de torsion, ajoutant une autre couche de complexité.

Les ingénieurs disposent de deux outils principaux pour combattre ces forces :

• Choisir une configuration intrinsèquement équilibrée — disposer les cylindres et les manetons du vilebrequin de sorte que les forces et les couples s’annulent naturellement.
• Ajouter des arbres d’équilibrage — des arbres secondaires avec des contrepoids qui tournent dans la direction opposée au vilebrequin, générant des forces égales et opposées. Ils ajoutent des coûts et une complexité mécanique mais peuvent neutraliser entièrement les modes de vibration problématiques.

Parmi toutes les configurations de moteurs courantes, deux seulement sont théoriquement parfaitement équilibrées : le six cylindres en ligne et le six cylindres à plat. C’est précisément pourquoi BMW et Porsche se sont accrochés si fermement à ces configurations — et pourquoi d’autres ont été réticents à les abandonner malgré les défis d’encombrement.

Équilibre des moteurs par configuration : Un guide pratique

Examinons comment chaque grande configuration de moteur se comporte dans le monde réel en ce qui concerne les vibrations et l’équilibre.

Les moteurs deux cylindres en ligne (vilebrequins dans le même sens de rotation) se comportent de manière similaire à un monocylindre en termes d’équilibre — les deux pistons montent et descendent en phase. La Oka russe utilisait deux arbres d’équilibrage contra-rotatifs pour gérer les forces inertielles du premier ordre, mais les forces du second ordre n’étaient pas contrôlées. Ajouter deux arbres d’équilibrage supplémentaires aurait été totalement impraticable pour une voiture aussi petite et abordable. De nombreux moteurs bicylindres — comme la Fiat 500 originale de 1957 et la Tata Nano indienne — fonctionnaient simplement sans aucun arbre d’équilibrage, s’appuyant sur des supports moteur souples pour absorber les vibrations. Simple, bon marché et acceptable pour les applications d’entrée de gamme.

Les moteurs deux cylindres avec vilebrequins à 180° (pistons se déplaçant en opposition de phase) offrent un meilleur équilibre primaire mais ne peuvent atteindre des intervalles d’allumage réguliers qu’en version deux temps — comme utilisé sur les DKW d’avant-guerre et leurs descendants, la Trabant est-allemande.

Les moteurs V-twin survivent aujourd’hui presque exclusivement sur les motos — Harley-Davidson et ses imitateurs japonais étant les exemples évidents. La NAMI-1 est pratiquement la seule voiture à avoir jamais utilisé cette configuration. Les contrepoids sur le vilebrequin peuvent l’amener près de l’équilibre total, mais des intervalles d’allumage réguliers restent hors de portée.

Les moteurs trois cylindres sont moins bien équilibrés qu’un quatre cylindres en ligne. Des constructeurs comme Subaru et Daihatsu installent des arbres d’équilibrage en standard ; la décision d’Opel de ne pas en prévoir dans le trois cylindres Ecotec pour la deuxième génération de la Corsa a certes permis des économies, mais a valu à la voiture une réputation de manque de souplesse dans la presse automobile allemande après ses débuts en 1996 — elle a été décrite comme « absolument impossible à conduire en ville en modes variables ».

Les moteurs quatre cylindres en ligne — la configuration la plus répandue au monde — présentent une force inertielle libre du second ordre qui ne peut être neutralisée que par un arbre d’équilibrage tournant au double de la vitesse du vilebrequin. Pour annuler le couple résultant, un second arbre contra-rotatif est nécessaire. Coûteux, certes — mais Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat et les marques du groupe Volkswagen ont tous eu recours à cette solution lorsque le raffinement l’exigeait.

Les moteurs quatre cylindres à plat s’en sortent légèrement mieux que leurs homologues en ligne — il ne reste qu’un couple de torsion du second ordre, tendant à faire osciller le moteur autour de son axe vertical. Même ainsi, le moteur de la Coccinelle à refroidissement par air et les unités boxer de Subaru s’en sont passés pendant des décennies.

Les moteurs cinq cylindres en ligne ont des forces inertielles primaires compensées mais souffrent d’un couple de flexion oscillant qui parcourt constamment le bloc — exigeant une structure exceptionnellement rigide. Mercedes-Benz, Audi et Volvo ont résolu ce problème grâce à des supports moteur raffinés et des contrepoids (comme le 2,5 TFSI compressé dans l’Audi TT RS), tandis que les ingénieurs de Fiat sont allés plus loin et ont utilisé un arbre d’équilibrage complet.

Une note intéressante : presque tous les moteurs cinq cylindres sont essentiellement des moteurs quatre cylindres avec un cylindre supplémentaire boulonné. Cette approche modulaire permet le partage des pistons, bielles et composants de la distribution — seuls le bloc, la culasse et le vilebrequin (avec des manetons à intervalles de 72°) doivent changer.

Les moteurs V6 qui ont remplacé les six cylindres en ligne partagent les mêmes caractéristiques d’équilibre qu’un trois cylindres — ce qui n’est pas idéal. Le tout premier V6 Mercedes-Benz (le M112, avec trois soupapes par cylindre) y a remédié avec un arbre d’équilibrage monté dans la vallée entre les rangées. Le six cylindres trois litres du groupe PSA en a placé un dans une culasse. D’autres constructeurs ont opté pour un décalage soigné des manetons — comme sur le V6 Audi — pour minimiser les vibrations sans complexité supplémentaire. Les moteurs V6 avec un angle d’ouverture de 90° ajoutent un autre problème : des intervalles d’allumage intrinsèquement irréguliers qu’un volant moteur lesté ne peut que partiellement lisser.

Les moteurs V8 avec un angle de 90° entre les rangées et des manetons de vilebrequin dans deux plans mutuellement perpendiculaires sont très bien équilibrés. Des intervalles d’allumage réguliers sont réalisables, et il ne reste que deux couples de torsion résiduels — facilement pris en charge par des contrepoids sur les tourillons d’extrémité du vilebrequin. C’est en grande partie pour cette raison que les ingénieurs américains ont adopté le V8 avec tant d’enthousiasme : ils ne tolèrent tout simplement pas les vibrations.

Les moteurs V4 étaient rares et sont désormais pratiquement éteints dans les voitures. Le V4 européen Ford (utilisé dans la Taunus, la Capri et la Saab 96) et le curieux V4 de la Zaporozhets nécessitaient tous deux un arbre d’équilibrage pour les couples de torsion du premier ordre. La compacité et le coût étaient les facteurs déterminants — l’équilibre était secondaire.

Les moteurs V10 partagent les mêmes caractéristiques d’équilibre qu’un cinq cylindres en ligne. Cela n’a pas empêché les concepteurs des moteurs de Formule 1, de la Dodge Viper ou de la Dodge RAM de les utiliser — quand on a besoin de puissance, on gère les vibrations.

Quant aux configurations plus exotiques : le huit cylindres à plat (comme utilisé dans les voitures de course Porsche 917) est effectivement deux quatre cylindres à plat sur un vilebrequin commun, tandis que les moteurs V12 et douze cylindres à plat se ramènent à deux six cylindres en ligne — expliquant leur exceptionnelle douceur.

VR6, VR5 et moteurs W : Le coup de génie de Volkswagen en matière d’encombrement

Nous avons évoqué précédemment les moteurs en V à angle étroit comme la Lancia Fulvia. Pendant des décennies, ces configurations ont été évitées — plus difficiles à équilibrer que les configurations à 60° ou 90°, avec des avantages d’encombrement qui ne semblaient pas valoir la peine. Puis les priorités ont changé.

Deux développements ont changé la donne :

• Les supports moteur hydrauliques sont devenus largement disponibles, supprimant considérablement la transmission des vibrations quelle que soit l’équilibre théorique du moteur.
• L’espace sous le capot est devenu de plus en plus rare, faisant de la compacité un atout premium. Qui aurait imaginé une modeste berline compacte cachant un moteur six cylindres de 2,8 litres ? Volkswagen l’a rendu possible.

Le Volkswagen VR6 — le « VR » signifiant V-Reihen (V en ligne) — pousse le concept à angle étroit encore plus loin que Lancia ne l’avait jamais fait, utilisant un angle de seulement 15° entre les rangées. Le résultat est si compact qu’il fonctionne effectivement comme un moteur en ligne décalé, et remarquablement, il utilise une culasse unique pour les deux rangées. Un moteur six cylindres de 2,8 litres qui se loge là où un V6 conventionnel ne pourrait pas — apparu pour la première fois dans la troisième génération de la Volkswagen Golf.

À partir de là, les ingénieurs de Volkswagen ont développé le concept :

• Le VR5 est arrivé comme le VR6 avec un cylindre en moins.
• Le W8 combinait deux unités VR raccourcies (quatre cylindres chacune) sur un vilebrequin unique — monté sur la berline Passat haut de gamme.
• Le W12 a fait ses débuts en 1998 sur le concept W12 Roadster : deux moteurs VR6 accouplés à un angle de 72° sur un vilebrequin.
• Le W16 — avec quatre turbocompresseurs — propulse la Bugatti Veyron à 431 km/h, en faisant l’application de production la plus extrême de cette architecture.

Pourquoi ces configurations n’existaient-elles pas auparavant ? La conception assistée par ordinateur moderne les a rendues possibles. Optimiser l’angle d’ouverture, les positions des manetons, l’ordre d’allumage et les caractéristiques d’équilibre sur des géométries aussi complexes aurait été pratiquement impossible sans la puissance de calcul disponible à partir des années 1990. Le vilebrequin d’un W12 à lui seul est le cauchemar d’un usineur — le genre de pièce qui n’a de sens que lorsqu’un ordinateur a vérifié chaque tolérance.

Ce qui compte vraiment dans la conception des moteurs en pratique

S’il y a une conclusion à tirer de tout cela, c’est que l’équilibre théorique est rarement le facteur déterminant lorsqu’un ingénieur choisit une configuration de moteur. Les vraies priorités sont :

• Encombrement — s’intègre-t-il dans le compartiment moteur ?
• Poids et densité de puissance — quel est le meilleur rapport pour l’application ?
• Coût de production — peut-il partager des composants sur une gamme de modèles ?
• Modularité — de plus en plus, les constructeurs élaborent des familles de moteurs entières à partir d’une architecture commune de pistons et d’alésages, des moteurs économiques trois cylindres jusqu’aux douze cylindres de prestige

La gamme de moteurs actuelle de Mercedes-Benz est un exemple parfait de l’approche modulaire : une architecture partagée soutient des moteurs avec des puissances et des nombres de cylindres très différents.

Et en ce qui concerne les vibrations — il convient de rappeler que l’équilibre théorique et l’équilibre réel sont deux choses très différentes. Même un six cylindres en ligne parfaitement équilibré va vibrer si son vilebrequin n’est pas correctement équilibré ou si ses pistons et bielles varient notablement en poids. Les tolérances de fabrication réelles et la déformation des composants sous charge signifient qu’aucun moteur n’est jamais aussi doux en pratique que les équations le suggèrent. C’est pourquoi la conception des supports moteur — la façon dont le groupe motopropulseur est isolé du reste de la voiture — est tout aussi importante que la configuration elle-même. Parfois même davantage.

Il s’agit d’une traduction. Vous pouvez lire l’original ici : https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html