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Dernière modification 25/09/2023

Taux de compression : comment et pourquoi ?


Grand classique est le sujet de la compression moteur, mais même si les moins connaisseurs en ont certainement déjà entendu parler, nous allons voir ici qu'il reste quand même beaucoup de choses à dire. Essayons donc dans cet article de recenser tous les paramètres à propos de la notion de compression.

La compression d'un moteur : les grandes lignes


La compression d'un moteur peut être représentée comme sa capacité à comprimer de l'air dans chacune des chambres de combustion. Il s'agit donc du moment où le piston sera au PMH, c'est à dire le point mort haut (sa position la plus haute). C'est à ce moment là que l'air est le plus comprimé, le cylindre ne pouvant pas aller plus en haut  pour "écraser" encore un peu plus l'air. On peut comparer cela à la compression d'un ressort hélicoïdal, plus on va l'écraser plus on aura un retour de force important.
Cette compression comprime donc l'air comme un ressort, mais elle permet aussi de chauffer ce dernier afin de permettre la bonne combustion par la suite. Ce préchauffage est important sur les diesels mais aussi sur les essences.


Compression ou taux de compression ?

Il faut distinguer la compression du taux de compression même si il y a bel et bien un rapport intime entre eux.

Le taux de compression est aussi appelé rapport volumique. Si j'ai un volume de 1 litre en PMB (piston en bas) et 0.1 litres en PMH (piston en haut) alors j'ai ici un ratio de 10:1. C'est à dire que le volume d'air dans la chambre est comprimé 10 fois.

En revanche, la compression d'une chambre de combustion en PMH comprend d'autre variables, à savoir la quantité de carburant injecté par exemple. En effet, si mon air est comprimé par un facteur de 10 (si je reprends mon exemple) alors quand j'injecterai du liquide dedans (carburant) alors l'air sera encore plus comprimé. Il est logique que l'apport de matière vient encore plus comprimer l'air présent, et cela revient au même que de faire aller encore plus haut le piston (lui même composé de matière non compressible contrairement à l'air, et tout gaz plus généralement).
C'est d'ailleurs pour cela que faire fonctionner un moteur essence à l'éthanol peut être dommageable. L'explication est qu'il faut injecter plus ce carburant avec l'éthanol, et donc la compression finale de l'air dans les cylindre sera accru : plus je met de matière dans la chambre plus je comprime davantage le gaz présent. Cette compression plus importante ajoutera donc des contraintes.

Le taux de compression se mesure comment ?

Un moteur a donc plusieurs chambres de combustion et chacune d'entre elles a un taux de compression qui lui est propre. Bien évidemment, tous ont à peu près la même valeur, mais avec le temps il arrive que certains accusent d'un déficit d'étanchéité ... Pour mesurer cela on va se servir des deux accès principaux aux chambres de combustion. Dans le cas d'un essence on va exploiter le puits des bougies, alors que sur les diesels (qui n'ont pas de bougie d'allumage) on va exploiter le puits d'un injecteur ou d'une bougie de préchauffage.
Il faut ensuite faire tourner le démarreur pour mouvoir les pistons et donc atteindre le PMH.


L'idéal est de faire la mesure à froid et à chaud pour voir si un déficit peut être remarqué plus ou moins dans l'un des deux contextes.

De quoi dépend la bonne compression du moteur ?

Il y a dans chaque chambre de combustion tout un tas d'éléments qui influent sur la compression, voyons-les.

On pensera en premier lieu à la segmentation du moteur, celle qui cloisonne la chambre au niveau de la paroi des cylindres qui font des vas et viens. Plusieurs segments sont "empilés", mais c'est avant tout celui qui est en contact avec la combustion (le plus haut) qui a comme rôle de cloisonner (pas à 100% en réalité) la chambre de combustion du carter d'huile situé plus bas. D'autres appelés racleurs s'occupe de ramener l'huile vers le bas (en direction du carter) et de lubrifier le frottement entre les segments et le cylindre.

Viennent ensuite les soupapes dont le rôle est de faire respirer le moteur : en acheminant le comburant (si injection indirecte) et l'air ainsi qu'en expulsant les gaz d'échappement résultant de la combustion. Au moment de la compression ces dernières doivent être totalement fermées, une distribution décalée pourrait l'empêcher. Le problème est le même avec une soupapes tordues ou de la calamine qui empêche leur fermeture parfaite. Les sièges de soupapes, qui entourent les soupapes fermées, sont les premiers à souffrir d'une compression trop importante.

Le joint de culasse, isolant l'eau de refroidissement des chambres de combustions (car la culasse est en quelque sorte le couvercle du moteur), le joint de culasse doit lui aussi participer à l'étanchéité des chambres de combustion.

On peut enfin penser aux accès au niveau des bougies (dévissée) ou encore des injecteurs (joint).



Voici la culasse avec les soupapes en position haute (pilotées par les cames)

Lien avec les performances ?


Le lien avec les performances est direct, et les connaisseurs de mécaniques savent bien qu'en rabotant un peu une culasse (ou en modifiant les bielles) on arrive à obtenir un peu plus de son moteur. En réduisant le volume de la chambre de combustion on obtient logiquement un plus petit espace au moment de la compression, et donc on va accroître le taux, en passant par exemple de 10:1 à 10.5:1. Et lorsque le mélange va s'allumer, la force mécanique due à la dilatation dans une chambre fermée sera d'autant plus importante.

Idem si j'augmente la quantité de carburant injectée, j'aurai alors un gaz encore plus compressé en PMH et donc les contraintes de pression seront accrues (reprogrammation pour l'éthanol). Si je veux gagner en performances il faudra cependant aussi penser à amener suffisamment d'air pour éviter un mélange trop riche. Et dans le cas d'une reprogrammation pour la puissance il faudra reprogrammer le pilotage du turbo (et donc avoir un turbo ...) afin d'accroître la quantité d'air admise (on le pilotera par le biais de la wastegate). Pour l'essence c'est le fameux rapport stoechionmétrique



Compression et moteur turbo

Avec la démocratisation du turbo, la compression moteur a légèrement baissé. En effet, les valeurs atteintes seraient alors trop importantes et on a par exemple vu les diesel passer d'environ 25:1 à 20:1 de taux de compression. Il n'empêche que la compression finale en PMB est plus importante, grâce à la suralimentation d'air et de carburant.

Compression : diesel et essence

Comme vous le savez déjà, le moteur diesel a besoin de comprimer l'air pour enflammer le mélange dans la chambre de combustion. Il lui faut donc comprimer fortement ce dernier pour atteindre des chaleurs suffisamment hautes. La conséquence est que le moteur diesel est plus lourd, car il est renforcé pour faire face à ces compressions accrues. Il est aussi plus bruyant car justement les détonations sont à la fois plus brutales et rapides dans le temps. Aujourd'hui ils sont à peu près aux alentours de 20:1 de taux de compression, contre 25:1 il y a encore un certain temps en raison de l'absence de suralimentation.


Un taux de compression ou une compression trop élevée sur un moteur essence induit possiblement un auto-allumage (voire du cliquetis), à savoir le carburant qui s'enflamme par la chaleur de la pression comme c'est le cas sur un moteur diesel. Le souci est que c'est très mal venu sur un essence, surtout que ce sera généralement en phase de compression (faire exploser le mélange alors que le piston est en train de remonter est vraiment pas bon du tout). Et pour être précis, la température d'auto-allumage est aussi liée au taux d'octane dans le carburant.


Les moteurs essence modernes cherchent à fonctionner en mélange pauvre et le taux de compression accru associé à un injecteur près de la bougie permettent des fonctionnement pauvres tel la charge stratifiée. Si leur taux de compression était d'environ 6 à 7 il y a quelques années, il sont désormais passés à des valeur oscillant entre 9 et 14 (cela grâce à l'élévation de l'octane qui repousse plus loin l'auto-allumage). Mais avec la généralisation des turbocompresseurs, le taux de compression se limitent alors plutôt à environ 10:1 (quelques exceptions comme Mazda et leur Skyactiv-G qui s'entête à éviter le turbo et le downsizing, ce qui permet alors un taux de compression élevé). Les moteurs modernes limitent donc leur taux de compression en raison de la généralisation des turbos qui induisent plus de compression dans le moteur (donc ne pas confondre taux de compression et compression quand le moteur tourne).

Compression et pollution

Si un taux de compression plus élevé permet un meilleur rendement et une meilleure combustion, le résultat est que cette dernière est plus chaude. Qui dit combustion chaude dit obligatoire l'apparition de Nox, qu'il ne faut pas confondre avec les particules fines. Le Nox est un gaz toxique qui notamment irrite les poumons et contribue à l'acidification de l'air.

Compression et injection haute pression

La compression accrue des moteurs modernes en raison de la suralimentation (turbo, compresseur), et je ne parle pas ici du taux de compression, implique l'apparition d'injection haute pression afin de pouvoir injecter suffisamment de carburant dans un court laps de temps. En effet, le fait qu'il y ait plus de compression implique qu'il y ait plus de comburant, il faut donc compenser en injectant plus de carburant.
Conséquence, l'injection haute pression permet une meilleur vaporisation du carburant mais aussi d'injecter une quantité suffisante.

Taux de compression et fiabilité


Comme vous l'aurez deviné, plus le taux de compression d'un moteur sera élevé plus il faudra calibrer haut la résistance des matériaux employés, Pistons, segments etc. De ce fait, un moteur à forte compression verra sa vie potentiellement plus courte si il n'a pas été renforcé en conséquence. Ceux qui touchent à ce paramètres sont prévenus.
Une perte de compression est en revanche problématique dans le fait où vous allez consommer plus et éventuellement induire des fumées. Les combustions étant moins bonnes des imbrûlés vont se matérialiser.

Compression et auto-allumage / cliquetis


Le taux de compression (en augmentant) peut amener de l'auto-allumage ou du cliquetis. Si c'est bien sur un moteur diesel (même vital), c'est en revanche problématique sur les moteurs essence : à allumage commandé (qui doit donc être commandé et non pas "auto-déclanché" par compression du gaz). De ce fait, en augmentant le taux de compression, il se peut que le carburant s'enflamme de lui même avant l'allumage par les bougies et avant que le piston soit totalement remonté ... Le résultat est très mauvais pour la mécanique.

Ethanol ? Quel lien ?

C'est ici qu'arrive l'avantage de l'éthanol, ce dernier a en effet un taux d'octane plus élevé qui permet de repousser les limites de l'auto-allumage. On peut donc exploiter plus facilement les moteurs à fort taux de compression sans risquer d'être victime d'auto-allumage. Mais il n'empêche toutefois que les pressions dans les chambres de combustions seront plus élevées.

Moteur à compression variable

A lire aussi : le moteur à compression variable d'Infiniti

Ce type de moteur est à la mode car il permet de moduler la compression moteur selon les besoins, et donc de limiter les pertes et réduire les consommations. A bas régime il est donc fait en sorte que la compression soit plus importante et vice versa à haut régime. Le but est ici de moduler la cylindrée selon le niveau de charge et du régime moteur.
Un moteur classique (statique dans sa compression) est conçu pour pouvoir éviter l'auto-allumage en pleine charge et à haut régime, ce qui induit des rendements moins intéressants en bas régime.

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