Le taux de compression, et ce qui le limite réellement

Le cliquetis n'est pas un allumage raté

Dans un moteur à essence sain, l'étincelle amorce une flamme en un point et cette flamme se propage vers l'extérieur à travers la charge, la consommant en une ou deux millisecondes. Devant cette flamme se trouve du mélange non brûlé, comprimé deux fois : d'abord par le piston qui monte encore, ensuite par les gaz brûlés en expansion derrière la flamme. Ce reste non brûlé s'appelle le gaz de fin de combustion, et il est à une pression et une température plus élevées que tout le reste du cylindre.

Le cliquetis survient quand le gaz de fin de combustion perd patience. Avec assez de température pendant assez de temps, un mélange air-carburant s'enflamme sans étincelle, partout à la fois, par des réactions en chaîne qui n'ont besoin d'aucune flamme pour se propager. Au lieu d'une combustion contrôlée progressant à quelques dizaines de mètres par seconde, une grande fraction de la charge libère son énergie presque instantanément. La montée en pression est si brutale qu'elle fait résonner le cylindre comme une cloche — c'est le bruit du cliquetis — et les ondes de pression qui l'accompagnent balaient la couche limite du ciel de piston et de la culasse, emportant le film gazeux isolant qui les protège normalement. Prolongé, cela détruit pistons, joints de culasse et coussinets.

C'est cette contrainte qui empêche le taux de compression de monter. La définition géométrique et la raison pour laquelle le rendement croît avec r ont été traitées dans notre article sur la cylindrée et le taux de compression : prenons-les pour acquises, le rendement veut r le plus grand possible. Ce qui suit est l'argumentaire de l'autre côté du grand livre.

La compression chauffe la charge, et l'exposant ne pardonne pas

Comprime un gaz rapidement et il chauffe, car le travail que tu lui fournis n'a nulle part où aller sinon dans son énergie interne. Sur les quelques millisecondes d'une course de compression, la chaleur n'a guère le temps de fuir vers les parois : le processus est donc proche de l'adiabatique, et pour un gaz parfait cela donne T2 ÷ T1 = (V1 ÷ V2) élevé à la puissance γ − 1, la pression suivant P2 ÷ P1 = (V1 ÷ V2) à la puissance γ. Le rapport de volumes V1 ÷ V2 est exactement le taux de compression. Le multiplicateur de température vaut donc r à la puissance γ − 1, et rien d'autre.

Mettons des chiffres. L'air sec a γ = 1,40, mais une charge réelle contient de la vapeur de carburant et des gaz d'échappement résiduels, dont les molécules plus grosses stockent de l'énergie en vibration et en rotation : γ tombe donc à environ 1,30-1,35. Prenons γ = 1,35 et une température initiale de 350 K — valeur plausible une fois l'air ambiant réchauffé par la tubulure et mélangé à des résidus chauds. Alors 8:1 donne 350 × 8^0,35 = 725 K ; 10:1 donne 784 K ; 12:1 donne 835 K ; 14:1 donne 882 K ; 18:1 donne 963 K. L'exposant est inférieur à un, donc la courbe s'infléchit — mais elle ne cesse jamais de monter, et la zone où l'essence se comporte mal est précisément celle des taux utiles.

Deux choses rendent la réalité pire que le tableau. D'abord, le gaz de fin de combustion est comprimé une seconde fois par les gaz brûlés qui se détendent derrière la flamme : sa température finale dépasse donc la valeur calculée à partir du seul mouvement du piston. Ensuite, la suralimentation. Un turbocompresseur élève T1 autant que P1, et comme le multiplicateur s'applique à T1, chaque kelvin ajouté avant compression devient 2,2 kelvins au point mort haut sur un moteur à 10:1. D'où l'importance de l'échangeur de refroidissement, et d'où le fait que les moteurs suralimentés ont longtemps utilisé des taux plus bas que les atmosphériques.

La température achète du temps, et c'est le temps qui manque

L'auto-allumage n'est pas un seuil qu'on franchit instantanément. Un mélange air-carburant chaud passe par une séquence de pré-réactions lentes avant de s'enflammer, et le délai entre l'atteinte d'un état et l'allumage à cet état s'appelle le délai d'auto-inflammation. Il chute fortement avec la température — les vitesses chimiques suivent une exponentielle de moins l'énergie d'activation sur la température — si bien qu'une hausse modeste de température peut le raccourcir d'un grand facteur. Le cliquetis survient quand le délai d'auto-inflammation des gaz frais devient plus court que le temps dont la flamme a encore besoin pour les atteindre.

Deux conséquences en découlent, contre-intuitives tant qu'on ignore le délai. La première : tout ce qui accélère la flamme aide — chambre de combustion compacte, bougie centrale, turbulence dans le cylindre, mélange proche de la stœchiométrie. Le gaz de fin de combustion n'est pas refroidi, il est simplement atteint plus tôt. La seconde : le régime aide. À 6 000 tr/min, un degré vilebrequin dure trois fois moins qu'à 2 000 tr/min : les gaz frais disposent donc de trois fois moins de temps réel pour se décider. D'où le fait qu'un moteur cliquette à bas régime pleine charge, en peinant dans une côte sur un rapport trop long, plutôt qu'en haut du compte-tours.

Les leviers : octane, allumage, injection, distribution

L'indice d'octane est une propriété du carburant, mesurée sur un moteur normalisé à taux variable contre des mélanges de référence d'iso-octane et de n-heptane. La norme ASTM D2699 définit l'indice octane recherche, mesuré à 600 tr/min avec une admission tiède ; ASTM D2700 définit l'indice octane moteur, mesuré à 900 tr/min avec un mélange chaud, essai plus sévère qui donne toujours une valeur plus basse. L'Europe affiche le RON à la pompe, d'où les 95 et 98 familiers de la norme EN 228 ; les États-Unis affichent la moyenne des deux selon la règle de la Federal Trade Commission, d'où des 87 et 91 qui paraissent plus bas sans être moins bons. Un octane plus élevé n'ajoute pas d'énergie : il achète du délai d'auto-inflammation, précisément la monnaie que dépensent les gaz frais.

Retarder l'allumage est le levier que le moteur actionne lui-même, en quelques millisecondes, dès qu'un capteur de cliquetis entend un problème. Allumer plus tard, c'est laisser le piston redescendre avant l'arrivée du pic de pression : la pression et la température des gaz frais sont donc plus basses, et la flamme a moins de course de compression à contrer. Le prix est le rendement : le pic de pression agit désormais sur un vilebrequin qui a déjà dépassé son meilleur bras de levier, et une part moindre de l'énergie libérée devient du travail. Il existe un calage optimal pour le couple maximal, et un moteur limité par le cliquetis passe sa vie, à bas régime et pleine charge, délibérément du côté retardé de cet optimum. C'est l'une des raisons pour lesquelles un moteur conçu pour un carburant à indice élevé perd réellement de la puissance avec un indice plus bas, au lieu de se contenter d'être plus bruyant.

L'injection directe s'attaque à la température elle-même. Pulvériser le carburant dans le cylindre plutôt que dans la tubulure signifie que la chaleur latente de vaporisation est prélevée sur la charge enfermée et non sur le collecteur d'admission. Calculons : l'essence demande environ 350 kJ par kilogramme pour se vaporiser, et un mélange stœchiométrique porte un kilogramme de carburant pour 14,7 kilogrammes d'air ; chaque kilogramme d'air cède donc 350 ÷ 14,7 = 23,8 kJ. Divise par la chaleur massique de l'air à pression constante, 1,005 kJ par kilogramme-kelvin : la charge se refroidit de 23,7 K. Passe cela dans la même loi de puissance : sur un moteur à 10:1, cela retire 23,7 × 10^0,35 = 53 K à la température de fin de compression, ou permet de façon équivalente de monter le taux de 10:1 à 12,2:1 pour la même température de charge. Ce seul mécanisme explique l'essentiel du fait que les moteurs essence à injection directe modernes se situent vers 12:1 là où les moteurs à injection indirecte se tenaient vers 10:1.

Le même calcul explique l'éthanol. Sa chaleur latente vaut environ 840 kJ par kilogramme et il brûle à la stœchiométrie vers 9 parts d'air pour 1 de carburant : chaque kilogramme d'air cède donc 93 kJ et la charge se refroidit de 93 K, quatre fois la valeur de l'essence. Arithmétiquement, cela autoriserait un taux énorme ; l'honnêteté oblige à dire que non, car la température n'est qu'une entrée du délai d'auto-inflammation et parce que le moteur doit encore démarrer, tourner au ralenti et fonctionner à froid avec le même carburant. Ce que le chiffre explique en revanche, c'est pourquoi les moteurs flex-fuel et les moteurs de course à forte teneur en éthanol supportent des taux et des pressions de suralimentation qui détruiraient le même matériel à l'essence.

Taux effectif : comprimer moins qu'on ne détend

Le taux de compression géométrique est fixé par le piston et la chambre, mais le moteur ne commence à comprimer qu'à la fermeture de la soupape d'admission. Ferme-la tard — bien après le point mort bas — et une partie de la charge est refoulée dans la tubulure avant que la porte ne se referme : le volume réellement enfermé est plus petit que le cylindre entier, et le taux de compression effectif tombe sous le taux géométrique. Le rapport de détente, lui, va toujours de la chambre au volume total du cylindre, puisque l'échappement ne s'ouvre pas en avance. On comprime comme un moteur à faible taux et on détend comme un moteur à fort taux, et c'est exactement là que se loge le rendement.

Le calcul est celui d'un système bielle-manivelle. Prends un moteur à 13:1 géométrique, avec un rapport bielle sur manivelle de 3,2 et un volume mort d'un douzième de la cylindrée unitaire. Avec une fermeture d'admission 10 degrés après le point mort bas, le volume enfermé donne un taux effectif de 12,9:1 ; à 30 degrés, 12,4:1 ; à 50 degrés, 11,4:1 ; à 70 degrés, 9,9:1 ; à 90 degrés, 8,0:1. Injecte cela dans la loi de température : le moteur à 13:1 qui aurait atteint 859 K n'atteint plus que 781 K en fermant à 70 degrés — 78 K gagnés uniquement par le calage de l'arbre à cames, alors que chaque détente utilise toujours le 13:1 complet.

Le prix, c'est la masse enfermée. Refouler de la charge hors du cylindre, c'est moins d'air par cycle, donc moins de couple au litre. D'où l'association fréquente de ces moteurs à une machine électrique qui comble le creux de couple à bas régime, et d'où le rôle habilitant de la distribution variable : l'arbre à cames peut tenir le calage tardif et rentable en croisière, et revenir à un calage classique quand on demande le couple maximal. C'est pourquoi annoncer un taux de compression unique pour un moteur moderne est un peu malhonnête : le nombre géométrique est fixe, mais celui que la charge subit réellement bouge avec la charge et le régime.

Le 18:1 d'un diesel est un tout autre problème

Un diesel tourne à 16:1, 18:1 ou davantage, largement au-dessus de tous les taux auxquels un moteur à essence se détruit, et la raison est qu'il n'a jamais de gaz de fin de combustion. Il comprime de l'air seul. Rien dans le cylindre ne peut s'auto-allumer pendant la compression : la température du tableau — 963 K à 18:1 depuis 350 K, et davantage encore avec le γ de l'air sec — n'est donc pas un danger mais l'objectif de conception. Le carburant est injecté près du point mort haut dans un air déjà assez chaud pour l'allumer, et la combustion commence là où se trouve le jet, se propageant à mesure que du carburant arrive. L'auto-allumage est le système d'allumage.

Les problèmes se déplacent simplement. La pression maximale est énorme — le tableau donne 49,5 bar en fin de compression avant qu'aucun carburant n'ait brûlé, et la combustion ajoute bien davantage — si bien que le bloc, les vis de culasse, les coussinets et le vilebrequin sont tous plus lourds à cylindrée égale. Le délai d'auto-inflammation devient un problème de bruit et de contrainte plutôt que de destruction : le carburant injecté pendant le délai s'accumule puis brûle d'un coup, c'est le cliquetis diesel, le claquement dur d'un vieux moteur un matin froid, et la raison pour laquelle les systèmes common rail modernes injectent une petite dose pilote pour amorcer une flamme avant l'événement principal. Enfin, l'arbitrage entre taux de compression et émissions joue en sens inverse : des taux très élevés relèvent la température maximale, et c'est elle qui fabrique les oxydes d'azote — l'une des raisons pour lesquelles les diesels modernes sont redescendus par rapport aux taux d'il y a trente ans.

Mesurer le taux sur un vrai moteur

La cylindrée unitaire est facile : alésage, course, un peu de géométrie. Toute la difficulté est dans le volume mort, car ce n'est pas une cavité mais quatre contributions, dont trois s'oublient facilement. Prenons un quatre-cylindres d'alésage 82,5 mm et de course 92,8 mm. La section vaut π ÷ 4 × 82,5² = 5 345,6 mm², donc la cylindrée unitaire vaut 5 345,6 × 92,8 = 496,07 cm³ et le moteur 1 984 cm³.

Passons au volume mort, morceau par morceau. La chambre de combustion dans la culasse se mesure, elle ne se calcule pas : obturez-la d'une plaque plane, mettez la culasse de niveau et versez un liquide depuis une burette graduée jusqu'au remplissage — 38,0 cm³ sur notre moteur. Le joint de culasse ajoute son propre passage : une ouverture de 84,0 mm sur 1,2 mm d'épaisseur vaut π ÷ 4 × 84² × 1,2 = 6,65 cm³. Le retrait de piston, l'écart restant parce que le piston n'atteint pas tout à fait le plan de joint, ajoute la section multipliée par cet écart : 0,5 mm donne 2,67 cm³. Enfin la tête de piston elle-même, creusée de 4,0 cm³ dans cet exemple, ajoute son creux ou retranche son dôme. Total 51,32 cm³, d'où un taux de (496,07 + 51,32) ÷ 51,32 = 10,67:1.

La sensibilité est la partie utile. Rectifie 0,5 mm sur la culasse et tu retires à peu près la section multipliée par cette profondeur, 2,67 cm³, ce qui porte le volume mort à 48,65 cm³ et le taux à 11,20:1 — un demi-millimètre de métal vaut un demi-point. Monte un joint de 1,5 mm au lieu de 1,2 mm et le taux retombe à 10,36:1. Et une erreur d'un centimètre cube sur la chambre mesurée, facile à commettre avec une culasse mal mise à niveau ou une bulle piégée, déplace la réponse entre 10,48 et 10,86. D'où la mesure à la burette plutôt que l'estimation, et d'où la méfiance que mérite quiconque annonce un taux de compression à trois décimales sans burette dans l'histoire.

Questions fréquentes

Un carburant à indice d'octane plus élevé rendra-t-il ma voiture plus rapide ?

Seulement si le moteur était bridé. Un moteur moderne écoute le cliquetis et retarde l'allumage dès qu'il l'entend : un moteur calibré pour un indice élevé et alimenté avec un indice bas produit réellement moins de puissance, et lui rendre le carburant qu'il attend restaure ce qu'il avait perdu. Un moteur calibré pour du carburant ordinaire, déjà à son calage optimal, n'a rien à gagner : l'octane supplémentaire achète un délai d'auto-inflammation dont il ne manquait pas. Lis l'exigence de carburant dans le manuel, note si elle est impérative ou seulement recommandée, et laisse cela trancher.

Pourquoi les moteurs suralimentés ont-ils un taux de compression plus bas ?

Parce que la suralimentation élève à la fois la pression et la température en début de compression, et que le taux multiplie ensuite la température. Chaque kelvin ajouté par le compresseur devient r à la puissance γ − 1 kelvins au point mort haut — un facteur 2,2 sur un moteur à 10:1. Abaisser le taux géométrique est la manière brutale de racheter cette marge ; refroidir l'air de suralimentation, injecter directement et fermer l'admission tard sont les manières modernes, et c'est pourquoi les moteurs essence suralimentés actuels sont remontés vers 10:1 et au-delà au lieu de rester au 8:1 qu'exigeait autrefois le turbo.

Le pré-allumage est-il la même chose que le cliquetis ?

Non, et la différence compte, car l'un est bien plus destructeur. Le cliquetis survient après l'étincelle, quand les gaz frais s'auto-allument devant une flamme déjà partie. Le pré-allumage survient avant l'étincelle, quand quelque chose dans la chambre — un dépôt incandescent, un bord de soupape surchauffé, une arête vive de piston — enflamme le mélange trop tôt. Toute la charge brûle alors contre un piston qui monte, les pressions dépassent largement le dimensionnement, et les dégâts arrivent en secondes plutôt qu'en minutes. Le pré-allumage à bas régime des moteurs à injection directe fortement suralimentés est encore un phénomène distinct, et c'est l'une des raisons pour lesquelles ces moteurs sont si exigeants sur la spécification d'huile.

Puis-je augmenter le taux de compression en rectifiant la culasse ?

Mécaniquement oui, et l'arithmétique de cet article dit combien : un demi-millimètre sur notre culasse d'exemple vaut environ un demi-point de taux. Que ce soit une bonne idée est une autre question. Cela rapproche le moteur de la limite de cliquetis dont il avait été éloigné, cela décale le calage de l'arbre à cames par rapport au vilebrequin sur un moteur à courroie, cela peut compromettre le dégagement soupapes-piston, et cela ne change rien au carburant que tu mettres réellement. Sur un moteur moderne à antidétonation, le résultat probable est que le calculateur retarde simplement l'allumage et rend ce que la compression avait gagné. C'est une opération de préparation, pas d'entretien, et elle va de pair avec une cartographie adaptée.

Pourquoi mon moteur ne cliquette-t-il qu'en côte sur un rapport long ?

Parce que c'est le point de fonctionnement où les gaz frais reçoivent le plus de chaleur et le plus de temps. Pleine charge à bas régime remplit complètement le cylindre : la pression et la température en fin de compression sont donc au maximum, tandis que le vilebrequin tourne assez lentement pour que chaque degré dure longtemps en millisecondes. La flamme met donc de nombreuses millisecondes à traverser la chambre, et les gaz frais disposent de toutes pour achever leurs pré-réactions. Rétrograde : la même puissance arrive à régime plus élevé avec un papillon partiellement fermé — moins de charge, moins de temps, plus de cliquetis.