Pourquoi y a-t-il un régime maximal sur les moteurs ?

NOTIONS TECHNIQUES

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Comme vous le savez, les moteurs thermiques (mais aussi électriques ..) ont un régime qui se limite en général à un maximum de 6000 tours sur les essences et 4500 sur les diesel (plus ou moins donc ...). Cette limite a induit l'apparition d'une boîte de vitesses, car le régime moteur ne pourrait pas couvrir une grande plage de vitesse si c n'était pas le cas, ou alors on aurait des accélérations très molles ou une vitesse de pointe très limitée (c'est au choix ... Selon le rapport de pont que vous allez choisir). Les moteurs électriques pouvant atteindre près de 20 000 tours minutes avec une puissance et un couple constants sur la plage, la nécessité d'avoir une boîte de vitesses est moindre. Et vu le coût que ce type de voiture induit (batterie chère), les marques ont essayé d'économiser sur d'autres postes, notamment celui de la transmission (même si l'idéal serait malgré tout d'avoir une boîte sur les électriques, cela permettrait une bien meilleure efficience sur autoroute. Porsche et Audi ont d'ailleurs décidé de mettre une boîte à deux rapports).

A lire :

Bref, la question ici est de savoir pourquoi un moteur thermique a des limites de vitesse de rotation, et surtout quelles sont les variables qui induisent cette limite ?

On a ici un V8 atmosphérique qui voit sa limite poussée à 8500 tours/min, là où la courbe s'arrête

Les raisons du régime maximal

Accélérer un mouvement déjà accéléré ?

Les lois de la physique nous montrent que plus un objet va vite (plus il a une vitesse de départ élevée), plus il est difficile de l'accélérer encore plus. La limite maximale est donc la vitesse de la lumière, et il faudrait par exemple plus d'énergie que l'univers n'en contient pour qu'un grain de sable atteigne cette vitesse (s'en rapproche en réalité, car en l'atteignant ce grain de sable verrait son temps s'arrêter, au niveau de son référentiel donc). Bref, sans aller dans les extrêmes de la physique, il faut savoir que plus un objet bouge vite, plus il est difficile de lui faire gagner encore de la vitesse. Mais avouons ici que l'effet est très modéré car il faut atteindre des vitesses relativistes pour en voir vraiment les effets.

La difficulté d'accélérer un mouvement déjà lancé ne se limite pas à ce concept physique ... En effet, avez-vous déjà fait faire du tourniquet à un enfant ? Ne trouvez-vous pas qu'il est d'autant plus difficile de le faire tourner vite qu'il ne tourne déjà à une vitesse importante ? Si je claque un objet immobile la force de cette fameuse gifle sera importante sur la surface de l'objet (dissipation de l'énergie cinétique importante sur l'objet). En revanche, si je veux frapper un objet qui va dans le même sens que ma main, alors l'objet ne prendra qu'une partie de l'énergie de mon impulsion (le différentiel de vitesse entre ma main et l'objet est réduite, l'impact aussi donc).
C'est ici pareil, lorsque le comburant et le carburant s'oxydent (s'enflamment) cela émet une impulsion (dilatation de l'air ) qui pousse le piston vers le bas. Mais plus le régime est élevé, plus le piston ira fortement vers cette direction naturellement dès qu'il aura franchi le point mort haut (les piston est sur sa lancée, car il tourne autour un axe : le vilebrequin). Et donc quand il y aura inflammation du mélange, l'impulsion donnée sera moins importante sur le piston lors des régimes élevés (on pousse un piston qui va déjà de lui-même vers le bas, ce qui rejoint mon analogie avec la gifle et le tourniquet).

Masses mobiles inertielles ?

La limite est aussi imposée par les masses inertielles mobiles, à savoir les pistons qui font des va-et-vient (ça devient chaud sur fiches-auto ...). Un piston passe sont temps à faire demi tour, ce qui induit des contraintes inertielles très importantes (faire demi tour et repartir à la même vitesse consiste à appliquer deux accélérations consécutives : freinage [1] et accélération dans le sens opposé [2]) ... En physique, ou plutôt dans la vérité des lois de la nature accélérer = freiner, il n'y a aucune différence, sauf dans notre esprit qui passe sont temps à être trompé par de fausses impressions. Einstein, entre autres, a su éviter ces pièges.

La masse du piston rendent difficile d'atteindre des régime "sans limite" car elle amène une contrainte supplémentaire qui réduit notre capacité à le faire aller plus vite, et cela d'autant plus que le piston est lourd (sans oublier la bielle qui participe un peu à cette contrainte).

Longueur de la course ?

Plus la course du piston sera longue (plus la bielle sera longue et le taux de compression important donc) plus les contraintes seront importantes, et donc le régime maximal sera alors réduit.
La course représente la distance entre le PMH et le PMB (points morts haut et bas). Il est plus facile et rapide de faire des allers-retours de 20 cm que de 50 cm ...

Résistance des matériaux

Si je vais trop loin (ou plutôt trop haut) dans le régime moteur alors je vais commencer à faire souffrir certaines pièces qui ne pourront pas tenir face aux contraintes. On peut notamment citer les bielles, ses paliers et roulements qui permettent des rotation sans friction. Et à propos de friction, un régime élevé induit une hausse des températures par friction (car même limitée il y en a quand même un peu, l'huile permettra d'ailleurs de réduire largement l'effet), pouvant alors déformer les matériaux (le chaud ça fait fondre, ça ramollit). La segmentation aussi sera aussi très échauffée, car c'est avant tout elle qui frotte contre le cylindre.

J'ai représenté ici l'échauffement des segments par le biais d'une couleur rouge

Manque d'air ?

L'air qui entre dans le moteur est aspiré par un effet "de ventouse" (ou pompe) lié au piston qui descend (phase d'admission du cycle à 4 temps), exactement comme une pompe à vélo.
Cependant, à des régimes élevés la durée d'ouverture des soupapes d'admission est très réduite, ce qui empêche le moteur de pouvoir en aspirer beaucoup. L'air étant compressible, et donc aussi "décompressible", on aspirera un air moins dense car il sera étiré/détendu, et donc moins de comburant ... Moins de comburant équivaut à une perte de puissance et donc une difficulté accrue d'augmenter le régime moteur.
La suralimentation permet donc d'améliorer le taux de remplissage à haut régime, bien que d'un autre côté elle induit (pour d'autres causes) une impossibilité d'atteindre des régimes plus élevés ...

A cela s'ajoute donc l'effet de pompage qui est plus accentué sur les moteurs essence et qui amène une résistance à la rotation du moteur (résistance = difficulté à aller plus haut en régime).

Enfin, les soupapes peuvent devenir trop lentes dans leur action .. Oui, au delà d'un certain régime il faut abandonner les ressorts de rappel métalliques pour les remplacer par des versions pneumatiques (exactement comme on remplace des suspensions hélicoïdales par des boudins pneumatiques), car un gaz réagit plus vite qu'un ressort physique (ou plutôt en métal, car l'air est tout aussi physique que le ressort ...). C'est aussi pour cette raison que les amortisseurs ont un compartiment à gaz sur les versions les plus évoluées.

Manque de carburant ?

Pour obtenir des régimes élevés il me faut aussi que la pompe de gavage et la pompe à injection puisse suivre le rythme en terme de délivrance de la puissance. Le temps d'ouverture des injecteurs doit aussi pouvoir être suffisamment important (plus j'ouvre longtemps plus je perds en pression d'injection, ce qui n'est pas génial, il faut pouvoir combiner les deux).

A lire aussi : le circuit de carburant

Différence entre essence / diesel ?

A lire : les différences entre moteur essence et moteur diesel

Un moteur diesel a tout les ingrédients pour pénaliser la capacité de régime maxi. En effet on a ici des masses mobiles plus importantes et une course (PMH/PMB) qui est aussi accentuée par rapport à un moteur essence (bien que certains moteurs essence modernes accentuent la longueur de course pour profiter de l'efficience offerte pas un taux de compression élevé).
De plus, les diesels sont systématiquement dotés de turbo contrairement aux moteurs essence (bien que la tendance actuelle vise désormais à suralimenter tous les moteurs pour gagner en efficience).
Dans les années 2000 la norme était que les moteurs diesel avaient un turbo et les moteurs essence rien du tout (sauf les blocs sportifs). Depuis tous ont des turbos comme je viens de le dire, sauf exceptions de type Skyactiv-G.

Notez enfin que les moteurs essence sont dotés de limiteurs de régime (rupteur) alors que les moteurs diesel pas vraiment. Les moteurs essence étant allumés par des bougies, il suffit alors de limiter le nombre d'allumages pour que le moteur soit limité en régime. Sur les diesel l'allumage n'est pas piloté, il se fait naturellement grâce à la pression induite par le piston en phase de compression, on ne pourra donc limiter le régime que par le biais de la pompe à injection (pou naturellement par les limites inertielles et autres que j'ai mentionnées plus haut).

Différence entre moteur turbo et atmosphérique ?

Un turbocompresseur ne permet pas d'atteindre des régimes aussi élevés qu'avec un moteur atmosphérique (sans suralimentation). Tout d'abord il freine les gaz d'échappement, ce qui rend leur évacuation un peu plus difficile, ce qui ajoute une très légère contrainte (je sens que certains vont vouloir modérer ce propos, à bientôt dans les commentaires mes "p'tits internautes chéris").
De plus, le turbo induit une plus grande quantité de comburant dans les cylindres, la compression sera alors plus difficile à produire (écraser 800 grammes d'air est plus contraignant que 400 grammes par exemple). Une compression accrue réduit donc le potentiel du régime.
Enfin, la nécessité d'atteindre des hauts régimes est ici réduite, on concevra donc un moteur qui ne peut pas aller trop haut dans les tours (course moteur modifiée, rupteur plus bas etc.). En effet, comme en bas régime j'ai des cylindres plus remplis (comburant + carburant), j'ai plus de puissance lors de chaque détente. Et donc si j'ai de la puissance dès les bas régimes (dépend du réglage et type de turbo : wastegate, plusieurs turbos ou géométrie variable) il m'est moins nécessaire de pouvoir atteindre des régimes élevés.

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