Banc de puissance : différence entre puissance moteur et puissance aux roues

BANC DE PUISSANCE

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C'est une question qui revient souvent, un banc de puissance mesure-t-il plutôt la puissance réelle du moteur (en sortie de vilebrequin) ou simplement la puissance au niveau des roues ?
Eh bien en réalité les deux ! Voyons donc les différences et comment se déduisent et se calculent ces deux puissances.

Différence entre puissance aux roues et puissance moteur ?

La puissance moteur constitue la force qu'il peut déployer à la sortie du vilebrequin selon sa vitesse de rotation angulaire (pour faire simple c'est la puissance mesurée en sortie de vilebrequin). La puissance aux roues est la même chose mais mesurée aux roues.

Ici un châssis à moteur longitudinal 4X4 avec donc une boîte de vitesses, une boîte de transfert, un arbre de transmission, deux différentiels et quatre cardans

On comprendra vite qu'il y a une différence puisque entre les deux (vilebrequin et roues) il y a toute une transmission qui pèse ... Si je vous dis de porter un poids de 5 kg, ce sera plus facile de le faire à mains nues qu'avec un crochet qui pèse 25 kg (dans ce cas on porte le poids de 5 kg plus le crochet de 25 kg = 30 kg au lieu de 5 kg).

Bref, entre le moteur et les rouleaux il y a tout un tas de choses dont l'inertie ou la résistance vient grignoter de la puissance et donc aussi du couple :

Roulements de roues (frottement principalement)
Jantes (inertie)
Pneus (résistance selon sculptures, largeur et gonflage, sans oublier le poids de l'auto sur ces derniers qui accroît la résistance au roulage)
Cardans (inertie + frottements) qui dépend en nombre si 4X2 ou 4X4
Différentiel(s) (inertie + frottements) qui dépend en nombre si 4X2 ou 4X4
Boîte (inertie liée aux arbres et pignons + frottements selon types d'engrenages et huile : viscosité et température)
Embrayage (inertie)

J'ai mis en rouge toute la transmission de cette transmission intégrale. On remarque que plus il y a de roues motrices, plus le poids de la transmission est importante. Et généralement, une propulsion a de meilleures reprises que les 4X4 en raison du gain de poids (à l'inverse, pour les départs arrêtés les 4X4 sont plus efficaces)

Le volant moteur a une grande importance lui aussi (souvent très lourd en plus !) mais il est confondu avec le moteur ... Il ne peut donc être enlevé de l'équation puisqu'en débrayant il disparaît (vous comprendrez pourquoi je parle de cela après). Mettre un volant moteur plus léger permet de libérer le moteur est d'accroître son temps de réponse.

Mesure de la puissance aux roues

La puissance aux roues se mesure grâce à un banc de puissance équipé de rouleaux. Je produis une accélération sur ces derniers grâce aux roues de ma voiture, l'ordinateur calcule ensuite la puissance en ch / KW grâce à un accéléromètre tout en prenant en compte l'inertie des rouleaux (si j'omets cela mes résultats ne valent rien, il est plus facile de faire tourner des rouleaux qui pèsent 500g que des rouleaux qui font 5 kg !).

Puissance en sortie de moteur ?

Pour connaître la puissance réelle du moteur (en sortie de "vilo"), il faut que je connaisse dans quelle mesure la chaîne cinématique de la transmission ralentit et "affaiblit" le moteur (en réalité, les constructeurs mesurent la puissance moteur en connectant la poulie vilebrequin à un accéléromètre, mais cela est devient fastidieux quand le moteur est monté dans le berceau, d'où l'utilité des bancs de puissance à rouleaux).
Pour connaître le poids de la transmission on va, après l'accélération sur le banc (permettant de mesurer la puissance / couple aux roues), laisser décélérer tranquillement l'auto. On fera cela en débrayant, très important, car il faut éliminer l'inertie du moteur (qui avec ses pistons, bielles, vilebrequin et volant moteur a aussi pas mal de poids) en le déconnectant de la chaîne cinétique. Plus cette décélération sera longue, plus on déduira qu'il y a de l'inertie dans la chaîne cinématique entre le moteur et le sol (c'est l'ordinateur qui calcule tout ça par déduction / calculs).
La logique est simple, si je lance une boule de bowling de 15 kg à 5 km/h elle va aller plus loin qu'une boule de 100G que je vais envoyer aussi à 5 km/h. Plus il y a d'inertie, plus un objet est difficile à arrêter ou à faire bouger.
Bref, le banc va mesurer le poids et la contrainte de la transmission en la laissant ralentir toute seule, et selon le poids des rouleaux et le décélération mesurée il se fera une bonne idée de la contrainte induite par cette dernière.

Une fois cela mesuré, il suffit simplement de faire la somme entre le couple obtenue aux roues (accélération sur banc) + la somme des couples résistifs (lors de la décélération). On a alors la puissance réelle au moteur à l'instant T, car oui tout n'est pas encore terminé si on veut être vraiment carré ... Il y a en effet à prendre en compte les caractéristiques du comburant (air) que respire le moteur au moment de la mesure, car il varie constamment et influe significativement sur les performances.

Puissance réelle finale selon contexte atmosphérique

Comme vous le savez, les conditions atmosphériques influent sur la puissance du moteur. Rappelons en effet que le moteur n'est là que pour valoriser la puissance qu'il y a dans le carburant (au final ce n'est pas le moteur qui est puissant mais bel et bien le carburant lui-même !).
Pour valoriser au maximum la puissance contenue dans le carburant, il faut le mélanger avec une certaine quantité de comburant (ici les 20% d'oxygène de l'air terrestre avec un rapport stoechiométrique dans le cas d'un moteur essence), et le problème est que cette quantité variera selon la pression atmosphérique ...
Les rouleaux modernes incluent parfois une station météo en leur sein.

Si j'injecte un air moins dense dans le moteur, j'aurais donc logiquement moins d'oxygène. Et si j'ai moins d'oxygène il y aura moins de combustion dans les cylindres, et donc je n'aurai pas toute la puissance. C'est donc pour cela qu'on a des échangeurs d'air au niveau de l'admission (fameux intercooler), en refroidissant l'air je le rends plus dense et donc je peux en introduire un peu plus dans la chambre de combustion (on peut presque appeler cela une suralimentation). Et à l'extrême on a les moteurs turbos qui permettent de suralimenter grâce à un compresseur et un intercooler (on gave d'air + on refroidit pour encore accentuer le gavage : air moins dense donc moins volumique).

Pour info, les normes DIN70020 (Allemagne), SAEJ1349 (américaine) et JISD1001 (Japon) consistent à faire la mesure de puissance directement au niveau du vilebrequin (le moteur a toutefois ses accessoires montés : alternateur etc.) et les transposer à une température et pression atmosphérique types, le but étant donc d'écarter la transmission et les conditions atmosphériques changeantes qui viennent troubler les cartes. Les bancs cherchent donc à se rapprocher de ces valeurs en les déduisant par le calcul.
Ces normes consistent donc à, comme le mot l'indique, à normaliser les choses.
Exemple, la DIN70020 exprime la puissance moteur dans le contexte d'une atmosphère à pression de 1013 hPa et 20°. Toute mesure qui sera faite en dehors de ce contexte (donc quasi tout le temps, il faut avoir de la chance d'être calé sur ces chiffres le jour du test !) devra donc être ensuite corrigée pour que les données résultantes soient comme si on avait fait la mesure à 20° avec une pression de l'ait à 1013 hPa.
Ce qui veut dire que quand on vous donne la puissance corrigée DIN de votre moteur, c'est la puissance qu'il développe dans le contexte 20° / 1013 hPa (et donc sur le banc il a été soit moins puissant soit plus puissant). On normalise ici le résultat pour éviter que les écarts de mesure entre les différentes voitures soient influencés et parasités par l'air ambiant.

La correction sera différente selon qu'on a affaire à un moteur atmosphérique ou turbo. En effet, le moteur turbo est moins pénalisé par une atmosphère "moins riche" en comburant (moins dense / pression plus faible) car il peut compenser en gavant plus (si il gave à 1.5 bars, que l'atmosphère soit à 0.9 ou 1 bar il enverra quand même 1.5 bar de pression dans le moteur).

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