La Subaru Impreza

Je ne vais pas rentrer dans les détails de cette voiture mythique (on peut le dire), certains l’ont fait mieux que moi : si vous avez 5 minutes (ou un peu plus), le Garage des Blogs en a parlé récemment dans l’un de ses épisodes.

Le constructeur japonais a la particularité d’utiliser uniquement des moteurs boxer dans ses voitures, pour ses 4 ou 6 cylindres.

Qu’est-ce qu’un moteur boxer ?

Pour les moteurs 4 cylindres, l’énorme majorité des constructeurs utilisent une géométrie traditionnelle : 4 cylindres en ligne. Depuis 1966 et la production de son premier moteur 4 cylindres, Subaru fait un choix différent en adoptant pour un moteur boxer. Seul un moteur fait exception, le moteur EN qui équipe les kei-cars de la marque et qui est un 4 cylindres en ligne.

Un moteur boxer est un moteur à plat, et dont les cylindres opposés évoluent de la même façon : ils sont au Point Mort Bas en même temps, et au Point Mort Haut en même temps. Leurs bielles sont donc sur des manetons différents. On a l’impression que les pistons vont se taper, d’où le surnom de ce moteur.

Il ne faut pas confondre un moteur boxer avec un moteur en V ouvert à 180° : par exemple le moteur de la Ferrari 512 BB.

On comprend sur cette animation Wikipedia ci-dessous la différence entre ces deux moteurs :

Les principaux avantages mis en avant par Subaru dans l’utilisation d’un moteur boxer est l’abaissement du centre de gravité et la réduction des vibrations. Deux petites vidéos de Subaru à ce sujet :

Mais le débat n’est pas de savoir si un moteur boxer est mieux qu’un traditionnel 4 cylindres en ligne.

Mais plutôt : est-ce ce boxer qui fait qu’une Subaru Impreza a un bruit si particulier ?

Une histoire d’échappement

Un moteur boxer, deux culasses

Dans un moteur 4 cylindres en ligne suralimenté, on a une seule culasse et très souvent un collecteur échappement très simple qui, comme son nom l’indique, vient récupérer les gaz d’échappement pour les emmener dans la turbine du turbocompresseur.

Pour un moteur 4 cylindres boxer, c’est un peu plus compliqué car on a forcément 2 culasses. Et donc 2 collecteurs d’échappement. Il faut que ces 2 flux se rejoignent pour passer dans la turbine. Et c’est là le tournant de l’article.

Quelques mots d’acoustique

Un cycle moteur complet se déroule sur 2 tours de vilebrequin, soit 720°.  Pour un moteur 4 cylindres, on a donc 4 combustions qui vont avoir lieu pendant ces 720°, c’est à dire une combustion tous les 180°.

Un moteur est une sorte d’instrument de musique, qui génère beaucoup de bruits, mais dont le principal est généré par ces combustions et plus précisément à l’onde de pression qui se propage dans la ligne d’échappement au moment de l’ouverture des soupapes, là aussi une fois tous les 180° pour un moteur 4 cylindres.

Dans le cas d’un 4 cylindres en ligne, les 4 cylindres sont récupérés dans le même tube juste à la sortie de la culasse, ou presque. Si on se place à la sortie de l’échappement, on aura donc ces pulsations qui arriveront de façon totalement régulière à notre oreille. La fréquence de ce son sera égale à deux fois le régime moteur.

Si par contre, dans le cas d’un moteur boxer, on a des longueurs différentes entre les collecteurs d’échappement d’un côté et de l’autre, on va décaler l’arrivée de ces ondes. Et si on se place à la sortie de l’échappement, on aura des pulsations qui arrivent de façon plutôt irrégulière.

Des collecteurs asymétriques

Le constructeur utilise en effet des tubulures d’échappement de longueurs différentes entre chaque côté du moteur.

Pour illustrer, j’ai indiqué dans le graphique ci-dessous les pulsations sur deux tours moteur (720°) dans le cas d’un moteur avec des longueurs égales et des longueurs inégales. Ça ne transforme évidemment pas totalement les pulsations car on reste sur un moteur 4 cylindres, mais on voit qu’on a deux pulsations collées, et au contraire deux pulsations bien éloignées.

La sonorité va être différente puisqu’au lieu d’avoir des pulsations régulières deux fois par tour, on va avoir des différences entre les pulsations, et on va donc avoir plus (+) d’événements qui ne vont arriver qu’une fois par tour vilebrequin.

Pour information sur un moteur Subaru, on a l’ordre d’allumage suivant : 1-3-2-4 avec les cylindres 2 et 4 qui sont du côté « éloigné.

C’est donc uniquement cette asymétrie au niveau des collecteurs d’échappement d’un côté et d’un autre du boxer qui génère la signature sonore si reconnaissable d’une Subaru Impreza.

Le boxer n’y est donc pas pour grand-chose : avec un échappement avec des longueurs égales, un boxer a une sonorité tout à fait comparable à un moteur à 4 cylindres en ligne. Je ne suis pas un expert de la marque mais le modèle avec le moteur EJ207 au Japon possède à priori un échappement ayant ces caractéristiques :

A l’inverse, un 4 cylindres en ligne sur lequel on installerait un collecteur avec des longueurs inégales aurait un bruit similaire à celui d’une Subaru Impreza.

Je n’ai pas fait l’essai sur une Subaru, mais d’autres l’ont fait pour moi.

• longueurs égales :

• longueurs inégales :

Et une dernière vidéo :

Le bilan, quels avantages ces deux solutions ?

Longueurs inégales

• la sonorité, reconnaissable parmi mille voitures. C’est je pense l’argument numéro 1 de Subaru dans ce choix, ce qui n’est pas vraiment un choix technique !
• la longueur très courte pour les cylindres 2 et 4 permet de récupérer un maximum d’énergie de l’échappement (moins de pertes). Dans certaines conditions, ça peut permettre d’améliorer la réponse du turbo.
• la masse. Moins de longueur de tubes : moins de masse.
• l’encombrement. Moins de longueur de tubes, moins d’espace pour les « stocker » sous le capot.

Longueurs égales

• le fait d’avoir des longueurs égales permet d’avoir la même contre-pression sur chaque cylindre, et le même comportement d’un point de vue de l’acoustique (les ondes qui vont et qui viennent dans l’échappement). Ces eux éléments vont permettre de mieux maîtriser la vidange des gaz brûlés de la chambre de combustion et d’améliorer le remplissage en air. Ça va aussi permettre de mieux maîtriser le phénomène de cliquetis. Bref, c’est mieux pour augmenter le couple et la puissance.
• ça permet également d’avoir une alimentation en gaz d’échappement de la turbine plus constante, et donc de maximiser la pression de suralimentation, ce qui est bien pour le couple et la puissance

Le bruit si particulier d’une Subaru Impreza provient donc de l’échappement et pas du moteur boxer. Nul doute que le choix du constructeur est un choix principalement d’image, et qu’il aurait opté pour un échappement avec des longueurs égales s’il avait cherché à maximiser la performance à tout prix !

L’article Pourquoi une Subaru Impreza a-t-elle un bruit si particulier ? est apparu en premier sur 2et4roues.

Rappel utile à la suite 

Comme on l’a vu précédemment un cycle moteur (admission – compression – combustion/détente – échappement) se déroule sur deux tours vilebrequin, soit 720°. Pour que le couple moteur soit régulier, il faut que les combustions soient espacées d’une même durée.

On a donc, pour un moteur :
– 3 cylindres  : une combustion tous les 720/3= 240°
– 4 cylindres : une combustion tous les 720/4= 180°
– 8 cylindres : une combustion tous les 720/8= 90°

Différentes géométries de vilebrequin

• les vilebrequins dits à plat : les manetons se trouvent dans un même plan

Cliquez sur l’image pour voir l’animation du vilebrequin à plat

• les vilebrequins dits en croix

Cliquez sur l’image pour voir l’animation du vilebrequin en croix

Une question d’équilibrage

Un moteur, par le mouvement de ses parties mobiles, entraîne des efforts et des couples qu’il est nécessaire d’équilibrer, pour la fiabilité du moteur et le confort.

On équilibre un moteur en 2 phases :

– les masses rotatives (manetons du vilebrequin)

– les masses alternatives (pistons + bielles)

Les efforts et les couples à équilibrer sont résumés sur le schéma ci-dessous :

Quelle différence entre l’équilibrage des V8 avec un vilebrequin à plat et en croix ?

Un V8 avec un vilebrequin à plat présente un effort de pilon d’ordre 2 (c’est à dire qu’il varie deux fois par tour de vilebrequin). Cet effort ne peut pas être équilibré en agissant uniquement sur le vilebrequin.

Le déséquilibre d’un V8 avec un vilebrequin à plat entraîne obligatoirement des vibrations qu’il est important de prendre en compte lors de la conception, et qui peuvent être dommageables au moteur ou au véhicule.

Un V8 avec un vilebrequin en croix est quant à lui bien équilibré.

Quel intérêt d’opter pour un vilebrequin à plat alors ?

L’avantage d’un V8 avec un vilebrequin à plat est d’avoir une masse plus faible. Le V8 avec un vilebrequin en croix est certes bien équilibré, mais nécessite pour cela l’intégration de gros contre-poids. Qui dit masse plus faible dit inertie moins élevée. Les V8 avec un vilebrequin à plat sont donc plus enclins à prendre des tours et les changements de régime se font plus rapidement.

L’allumage

L’allumage dans le cas d’un vilebrequin à plat

On a vu précédemment que pour un V8, on doit avoir une combustion tous les 90°.  L’animation au dessus et le schéma ci-dessous permettent de comprendre la chose : en tout, il y a 8 façons d’organiser l’ordre d’allumage tout en alternant entre les deux bancs de quatre cylindres : G – D – G – D – G – D – G – D

L’allumage dans le cas d’un vilebrequin en croix

Ce n’est ici pas la même : la géométrie du vilebrequin ne permet pas d’avoir des allumages qui alternent entre les deux banc de quatre cylindres. Jetez un oeil au schéma ci-dessous :

Comme on veut un allumage tous les 90°, on n’a pas le choix, on doit au minimum allumer à la suite des cylindres qui se trouvent sur le même banc de 4 cylindres et ceci pour chaque banc.

Si je reprends les 4 ordres d’allumages possibles pour le vilebrequin en croix ci-dessus (ceux en rouge ont 4 cylindres qui s’allument à la suite sur un même banc de 4 cylindres dont on n’y pense même pas) on a donc :

1ère possibilité : G – D – D – G – D – G – G – D

2ème possibilité : G – D – G – G – D – G – D- D

3ème possibilité : G– D – G – D – D – G – D – G

4ème possibilité : G – G – D – G – D – D– G – D

avec en vert les cylindres qui s’allument à la suite sur un même banc de 4 cylindres.

Influence de l’ordre d’allumage sur la pression d’échappement (et donc la sonorité du V8)

Une étude a été menée avec un logiciel de simulation dans le but de comparer les fonctionnements d’un V8 avec un vilebrequin à plat avec celui d’un V8 avec un vilebrequin en croix.

Les ordres d’allumage sont les suivants :

– vilebrequin à plat : 1 – 4 – 5 – 2 – 7 – 6 – 3 – 8

– vilebrequin en croix : 1 – 8 – 4 – 3 – 6 – 5 – 7 – 2

Les graphiques ci-dessous donnent l’évolution de la pression d’échappement pour chaque banc et chaque moteur.

Quelle analyse pour le vilebrequin à plat ?

Pour chaque banc, les pulsations de pression ont la même amplitude (environ 1,25 bar) et sont déphasées de 180°. Le fonctionnement d’un banc de 4 cylindres correspond vraiment au fonctionnement d’un moteur 4 cylindres « traditionnel » (avec allumage 1 – 3 – 4 -2). Entre les deux bancs, le signal de pression est déphasé de 90°. La moyenne de la pression échappement est en pointillé rouge. Elle est constante (environ 1,15 bar).

Et c’est différent pour le vilebrequin en croix ?

Comme on peut s’en douter : oui.

Les pulsations de pression n’ont pas la même amplitude (entre 1,2 et 1,3 bar) et sont déphasées de 90° ou 180°, en fonction du moment où on se trouve dans le cycle. En effet,  lorsque deux cylindres sont allumés l’un à la suite de l’autre sur un même banc, la pression d’échappement du deuxième cylindre « s’ajoute » à celle du premier. Entre les deux bancs le signal de pression est déphasé de 360°. La moyenne de la pression échappement est en pointillé bleu. Elle n’est pas constante et oscille entre 1,075 et 1,225 bar.

Ca explique donc un bruit différent ?

Oui, ce sont ces variations d’amplitude de pression d’échappement qui font qu’un V8 avec un vilebrequin en croix à une sonorité si particulière et irrégulière. Ce n’est pas un allumage décalé, contrairement à ce qu’on peut souvent entendre.

Le V8 avec un vilebrequin à plat a quant à lui une sonorité parfaitement régulière et qui pourrait être comparée à celle de deux moteurs 4 cylindres qui fonctionnent en décalé.

On comprend donc d’après la sonorité de la Mercedes-Benz C63 AMG qu’elle est équipée d’un V8 avec un vilebrequin en croix :

et la Ferrari 458 Italia d’un vilebrequin à plat :

Le vilebrequin en croix a également un impact sur le remplissage en air

Dans ce type de moteur, ces cylindres qui sont allumés à la suite sur un même banc n’ont pas pour seule conséquence de générer une sonorité particulière. Cela a également un impact sur le remplissage en air du moteur.

Dans le cas d’un cylindre « propre »

Vous avez ci-dessous trois graphes qui représentent, pour un cylindre, les lois de levées de soupape (admission en bleu et échappement en rouge), l’évolution des différentes pression (admission, cylindre et échappement) et les débits de gaz.

Lorsque la phase d’échappement a lieu, on a bien un débit d’échappement positif qui permet d’évacuer les gaz brûlés présents dans le cylindre vers l’échappement. A la fin de la phase d’échappement, la soupape d’admission commence à s’ouvrir : c’est ce qu’on appelle la phase de croisement. A cet instant, la pression d’admission est supérieure à la pression d’échappement : l’air permet donc d’évacuer les gaz brûlés restant dans la chambre. Cette opération est bénéfique puisque plus on évacue les gaz brûlés, plus on pourra enfermer d’air donc plus on pourra brûler de carburant donc plus on pourra générer de couple.

Dans le cas d’un cylindre perturbé

Prenons maintenant comme exemple un autre cylindre (par exemple le cylindre 5 dont l’allumage a lieu juste avant celui du cylindre 7). Si l’on regarde le débit à l’échappement on note qu’il est positif au début de l’ouverture de la soupape. Il devient ensuite négatif, ce qui veut dire que des gaz qui étaient dans l’échappement reviennent dans le cylindre. C’est l’ouverture de la soupape d’échappement du cylindre 7 qui génère ce pic négatif. Ce n’est pas tout puisque pendant la phase de croisement, on note que le débit d’admission est négatif. Une partie des gaz d’échappement remontent dans l’admission et seront réadmis dans le cylindre une fois que la soupape d’échappement sera fermée. C’est mauvais pour le remplissage en air.

Un impact sur le rendement volumétrique

Les courbes ci-dessous montrent l’évolution du rendement volumétrique en fonction du régime moteur pour les différents cylindres. Ne faites pas attention à la numérotation des cylindres, l’intérêt ici est juste de constater l’écart. Le rendement volumétrique correspond au rapport entre la masse d’air enfermée dans le cylindre sur la masse d’air qui peut théoriquement être enfermée. S’il est égal à 0, ça veut dire qu’on n’a pas enfermé d’air. S’il est égal à 1, ça veut dire qu’on a enfermé le maximum dans les conditions atmosphériques. Il peut être supérieur à 1 lorsqu’on utilise de la suralimentation.

On note qu’à certains régimes, on a des écarts allant jusqu’à 0,15 : c’est une perte de couple mais aussi une source d’acyclisme.

Il existe évidemment des parades à ce phénomène, mais c’est un autre article à part entière.

Le V8 avec un vilebrequin à plat ne rencontre pas les mêmes problèmes puisque que les allumages ont lieu successivement sur chaque banc. Il n’y a donc pas de risque de perturbation d’un cylindre par un autre.

Le bilan

C’est le vilebrequin en croix qui engendre la sonorité si particulière de certains V8.

Le résumé des avantages/inconvénients des deux solutions ci-dessous :

• V8 avec vilebrequin en croix

– pas de vibration

– un vilebrequin plus lourd qui limitera les régimes et le temps de réponse du moteur

– une sonorité irrégulière

– un remplissage en air perturbé (si on ne mène pas un travail particulier sur l’échappement)

Les V8 équipés de vilebrequin à croix sont les plus répandus. Ils proposent un excellent confort d’utilisation et peuvent être associés à de fortes cylindrées de par leur absence de vibration.

• V8 avec vilebrequin à plat

– des vibrations à gérer (l’utilisation de deux arbres d’équilibrages est possible mais annule le point positif suivant).

– un vilebrequin léger qui autorise donc des régimes élevés et des variations de régimes rapides (peu d’inertie)

– une sonorité « propre » et « régulière »

– un remplissage en air des cylindres optimal

Les V8 équipés d’un vilebrequin à plat sont de par leur nature « vibrante » quant à eux réservés aux véhicules de compétition ou à des marchés de niche.

Si, comme moi, vous aimez les sonorités des moteurs, V8 ou autre, j’en ai analysé différentes dans un article que vous trouverez ici.

Alors, d’après la sonorité, quelle voiture a un V8 avec un vilebrequin à croix ou à plat ci-dessous ?

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Crédits images et animations :

– animations des moteurs en 3D : http://asthalis.free.fr/crea_moteurs3d_video.html

– images des ordres d’allumage sur les deux types de moteur : http://craig.backfire.ca/pages/autos/v8-engines#second

– résultats de calcul – comparaison des deux moteurs : http://www.gtisoft.com/upload/FEV_V8-Breathing.pdf

– image de une : www.seriouswheels.com

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