Rapport Course / alésage: Une Clé de l’Efficacité du moteur

Bien que de nombreux facteurs contribuent à l’efficacité d’un moteur, le principal facteur à prendre en compte est la géométrie du moteur elle-même. Non seulement la taille globale du moteur est importante, mais le rapport d’aspect des cylindres du moteur — défini par le rapport course / alésage – est également important. Pour expliquer pourquoi, il faut tenir compte de trois facteurs: le transfert de chaleur dans le cylindre, le balayage du cylindre et le frottement.
Des relations géométriques simples montrent qu’un cylindre de moteur avec un rapport course / alésage plus long aura une surface exposée aux gaz de la chambre de combustion plus petite par rapport à un cylindre avec un rapport course / alésage plus court. La plus petite surface entraîne directement une réduction du transfert de chaleur dans le cylindre, un transfert d’énergie accru vers le vilebrequin et, par conséquent, une efficacité accrue.
Le balayage des cylindres — un phénomène à deux temps dans lequel les produits d’échappement dans le cylindre sont remplacés par de l’air frais – est également fortement affecté par le rapport course / alésage dans un moteur à deux temps à balayage uniflow à pistons opposés. À mesure que le rapport course / alésage augmente, la distance que doit parcourir l’air frais entre les orifices d’admission à une extrémité du cylindre et les orifices d’échappement à l’autre extrémité augmente. Cette distance accrue se traduit par une efficacité de balayage plus élevée et, par conséquent, un travail de pompage plus faible car moins d’air frais est perdu par court-circuit de charge.
Le frottement du moteur est affecté par le rapport course / alésage en raison de deux effets concurrents: le frottement du roulement du vilebrequin et le frottement du cylindre moteur. À mesure que le rapport course / alésage diminue, le frottement des roulements augmente car la plus grande surface de piston transfère des forces plus importantes aux roulements de vilebrequin. Cependant, la course plus courte correspondante entraîne une diminution du frottement moteur-cylindre provenant de l’interface anneau/cylindre.
Chez Achates Power, nous avons effectué des analyses approfondies dans les trois domaines afin d’identifier correctement la géométrie optimale du moteur qui offre la meilleure opportunité d’avoir un moteur à combustion interne très efficace. Les simulations dans les cylindres ont montré que le transfert de chaleur augmente rapidement en dessous d’un rapport course / alésage d’environ 2, les simulations des systèmes moteurs ont montré que le travail de pompage augmente rapidement en dessous d’un rapport course / alésage d’environ 2.2 (en raison de la diminution associée de l’efficacité de balayage), et les modèles de friction du moteur ont montré que les valeurs de frottement du palier de vilebrequin et du cylindre moteur, pour la plupart, s’annulent pour notre moteur à deux temps à pistons opposés.
Il convient de noter ici que dans un moteur à pistons opposés – où il y a deux pistons par cylindre travaillant en mouvement alternatif opposé — la « course” résulte des mouvements combinés des deux pistons et est à peu près le double de la distance parcourue par l’un des pistons en un demi—tour. Ce fait permet à un moteur à pistons opposés d’avoir des rapports course/alésage beaucoup plus importants qu’un moteur à un piston par cylindre sans avoir des vitesses moyennes de piston trop élevées qui nuisent à la charge inertielle et au frottement.
Pour le contexte, vous trouverez ci-dessous un graphique de la densité de puissance par rapport au rapport course / alésage de certains moteurs à quatre temps actuels conçus pour une large gamme d’applications. Notez que tous les moteurs du tableau ont des culasses, donc la course décrit la course réelle du piston. Les données du graphique montrent une tendance selon laquelle les moteurs nécessitant une densité de puissance élevée — comme ceux des voitures de course – ont un faible rapport course / alésage, et les moteurs nécessitant un rendement énergétique élevé – comme ceux des camions lourds et des cargos marins — ont un rapport course / alésage important.

Le facteur limitant de cette relation est l’origine des forces d’inertie du mouvement du piston. Pour atteindre une densité de puissance élevée, le moteur doit fonctionner à un régime moteur élevé (jusqu’à 18 000 tr / min pour le moteur de Formule 1), ce qui entraîne des forces d’inertie élevées qui doivent être limitées en utilisant un petit rapport course / alésage. Pour les applications qui exigent un rendement élevé, un rapport course / alésage long est nécessaire et, toujours en raison des forces d’inertie du piston, nécessite un régime moteur plus lent et une densité de puissance plus faible. Pour l’application marine qui a une course de 2,5 m, le régime moteur est limité à 102 tr/ min.
En comparaison, le moteur à deux temps à pistons opposés Achates Power est conçu avec un rapport course /alésage compris entre 2,2 et 2,6. Cette gamme de valeurs de rapport course / alésage nous permet de créer un moteur à combustion interne très efficace tout en conservant des vitesses moyennes de pistons comparables aux moteurs actuellement disponibles dans les applications moyennes et lourdes. Tout moteur à deux temps à pistons opposés avec un rapport course / alésage inférieur à 2 souffrira d’un transfert de chaleur élevé dans le cylindre et d’un mauvais balayage, qui agissent tous deux pour réduire l’efficacité globale du moteur.