L'Atelier

La puissance décortiquée

Publié le 11 janvier 2009 - Michel Garneau

Ce n’est pas d’hier que la puissance des moteurs constitue l’une des préoccupations principales des amateurs de sports motorisés.  En effet, les discussions entre passionnés de motoneiges, de motos, d’autos ou d’autres bolides portent plus souvent qu’autrement sur la puissance des moulins. Chevaux-vapeur, couple, plage de puissance, coupleux… De quoi parle-t-on exactement dans le contexte de ces échanges?

Parlons d’énergie

L’énergie est la capacité d’un système à produire une réaction entraînant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur.  Autrement dit, l’énergie que produit un système est une mesure de sa capacité à effectuer un travail. Comme nous le savons, l’énergie se manifeste sous diverses formes (cinétique, électromagnétique, etc.) et est généralement qualifiée selon sa source (par exemple, énergie nucléaire) ou le moyen par lequel elle est acheminée (par exemple, énergie cinétique).  Aux fins de notre discussion, la définition de l’énergie s’accompagne du principe de la conservation de l’énergie.  Celui-ci indique que l’énergie ne peut ni se créer ni se détruire, mais uniquement se transformer d’une forme à une autre (ou être échangée d’un système à un autre). Un moteur est précisément un bon exemple d’un tel système, car à la base (comme nous l’avons mentionné à quelques reprises dans le passé), la fonction primaire de tout moteur est de convertir une source d’énergie (autre que cinétique) en énergie cinétique.

Dans le cas d’un moteur à combustion interne, il s’agit de transformer l’énergie chimique du carburant (que ce soit de l’essence, du diesel, de l’éthanol…), tandis que dans le cas d’un moteur électrique, nous parlons plutôt d’exploiter l’énergie électrique.  Toutefois, un tel fonctionnement n’est pas unique aux moteurs. Un fusil, par exemple, transforme également l’énergie chimique de la poudre de la cartouche en énergie cinétique pour propulser la balle vers une cible. Comme nous le savons tous, l’expansion des gaz qui suit l’allumage du carburant dans la chambre de combustion d’un moteur produit un mouvement linéaire du piston dans le cylindre (un effet semblable à celui du fusil et de la balle dans l’exemple précédent). Ce mouvement entraîne à son tour une rotation du vilebrequin, transformant ainsi une force linéaire en force rotative nettement plus désirable et utile, car il s’agit précisément du type de force dont nous avons besoin pour faire déplacer notre véhicule.

Le couple

Le couple est la tendance d’un vecteur de force à faire tourner un objet autour d’un axe. Autrement dit, le couple est une force en torsion. La magnitude du couple dépend de deux facteurs : la force appliquée et la longueur du levier sur laquelle la force est appliquée (note : l’angle entre les deux est aussi un facteur, mais pour les besoins de cet article, nous le traiterons comme un facteur constant). Donc, compte tenu des deux facteurs mentionnés, il n’est pas surprenant de constater que l’unité de mesure du couple comporte un élément de force et un de longueur (généralement lb-pi pour le système impérial, N-m pour le système métrique). Ainsi, une force de un lb-pi est l’équivalent d’une force d’une livre appliquée à un levier mesurant un pied de longueur. Il va sans dire que plus le couple est élevé, plus la force de torsion est puissante.

Comme le couple est le résultat direct de l’action de la pression de combustion moyennée par la course dans un moteur, nous constatons que le facteur déterminant le plus important pour le couple d’un moteur est sans aucun doute la cylindrée, bien que d’autres éléments jouent aussi un rôle important, notamment le taux de compression, l’efficacité du design de la chambre de combustion, l’allumage, l’efficacité de l’écoulement de l’air, etc.  Le type de moteur joue aussi un rôle important. À titre d’exemple, bien que la pression de combustion moyennée par course n’est que de 180 à 200 lb/po2 dans un moteur à deux temps (comparativement aux meilleurs moteurs à quatre temps qui peuvent pousser jusqu’à 230 lb/po2), ce type de moteur a l’avantage de produire du couple à chaque révolution, plutôt qu’alternativement comme dans un moteur à quatre temps. Ainsi, il produit un couple de 150 à 170 lb-pi pour 1 000 cm3 de cylindrée, tandis que le moteur à quatre temps produit de 75 à 95 pi-lb pour 1 000 cm3. Désavantagé sur le plan de la production totale du couple, le moteur à quatre temps tire toutefois son épingle du jeu en ce qui traite à sa plage de puissance. En effet, sa capacité de remplir ses cylindres d’une charge assez complète de mélange sur un plus large éventail de régimes lui donne un couple généralement plus constant et linéaire.

La F5 d’Arctic Cat (gauche) et la Phazer de Yamaha (droite) illustrent bien qu’il est possible d’arriver au même résultat de différentes façons. Les moteurs (de cylindrée comparable) des deux motoneiges en question émettent un niveau de puissance très semblable (soit 82 ch pour la F5 et 80 pour la Phazer), mais la vitesse à laquelle cette puissance est obtenue diffère grandement (soit 7 900 tr/min pour la F5 comparativement à 11 250 tr/min pour la Phazer), le moteur de la Phazer devant virer sensiblement plus rapidement pour compenser pour son couple moins élevé. La Phazer utilise donc un système de réduction (réglé à 35/50) afin de permettre de diminuer la vitesse des embrayages à 7 900 tr/min, assurant ainsi l’efficacité du système d’entraînement ainsi que la longévité des courroies.

La puissance

Comme nous avons vu ci-dessus, le couple est une mesure absolue de la force générée par un moteur. La puissance, quant à elle, est une mesure de sa capacité à effectuer un travail dans un laps de temps donné. Donc, il va de soi que la puissance est une fonction de la force (le couple) avec laquelle le travail est entrepris, ainsi que la vitesse.  Pour illustrer le propos, pensez à une tâche (un travail) à effectuer, tel que de déplacer un banc de neige. Supposons que le volume de neige à déplacer est de 100 m3 et que la tâche doit être complétée dans un laps de temps de 100 secondes. Dans un tel cas, on pourrait déplacer un m3 de neige par seconde (pour 100 secondes) pour accomplir ce travail. On arriverait aussi au même résultat en choisissant une plus grosse pelle (l’équivalent d’augmenter la force) et en ralentissant la cadence (l’équivalent de diminuer la vitesse), ou encore, en utilisant une plus petite pelle (l’équivalent de diminuer la force) tout en augmentant la vitesse. Ainsi, la puissance (ou la capacité de travail) d’un moteur peut être augmentée, soit par une hausse du couple, soit par une augmentation de la vitesse. Il va de soi qu’à couple égal,  un moteur qui tourne plus rapidement est plus puissant et, inversement, à vitesse égale, un moteur produisant plus de couple est plus puissant.

Il existe plusieurs unités de mesure de la puissance, la plus commune (du moins, en Amérique du Nord) étant le chevalvapeur ou ch (une traduction du terme anglais horsepower ou hp). À l’origine, cette unité de mesure, inventée par l’ingénieur britannique James Watt en 1782 (au début de la révolution industrielle), représentait la capacité de
soulever un poids de 33 000 lb sur une distance d’un pied dans une minute, soit une approximation du travail
effectué par un cheval. La formule de la puissance en ch est la suivante :
puissance en ch = (couple (en lb-pi) x vitesse (en tr/min))/5252


Notez que cette formule comprend les deux facteurs mentionnés ci-dessus (le couple et la vitesse).  D’autres unités de mesure pour la puissance sont le Watt (W ou kiloWatt), ainsi que le cheval-vapeur du système métrique (fréquemment exprimé en PS ou ch, ce qui porte à confusion avec la mesure impériale). Le cheval-vapeur métrique équivaut à 98,6 % de la version impériale (c’està-dire que 100 ch métriques égalent 98,6 ch dans le système impérial).

Avec ses 177 ch, la nouvelle Z1 Turbo d’Arctic Cat est la motoneige de série la plus puissante jamais produite. Pour fins de comparaison, notons que la Ski-Doo 1959, la première motoneige de série, était propulsée par un moteur à quatre temps Kohler produisant un modeste 7 ch.

Les temps ont bien changé!

Le moteur Weber MPE bicylindre à quatre temps de 750 cm3 des modèles FS et FST de Polaris est disponible en deux versions. La version à alimentation atmosphérique (FS) produit 80 ch à 8 000 tr/min, tandis que la version turbocompressée (FST) livre 142 ch à 8 200 tr/min. Compte tenu du fait que la vitesse de pointe est virtuellement identique, on peut constater que l’impressionnante augmentation de puissance dans le moteur FST vient largement de la hausse de couple fournie par le turbocompresseur (et c’est en effet le cas, le couple maximal passant de 50 lb-pi sur le FS à 95 lb-pi sur le FST).

Mesurer la puissance d’un moteur

Il n’existe aucune façon de mesurer directement la puissance d’un moteur. La pratique courante consiste plutôt à mesurer le couple d’un moteur à l’aide d’un dynamomètre (que nous branchons au moteur, directement ou indirectement) et à calculer la puissance à partir des valeurs de couple obtenues. Il existe différents types de dynamomètres, mais ils appartiennent généralement à l’une ou l’autre de deux catégories : celle des modèles à frein ou celle des modèles à inertie. Dans le cas du modèle à frein, le dynamomètre freine le moteur et le couple est calculé
en fonction de l’effort que l’on a dû appliquer sur le frein pour ralentir le moteur. Les systèmes de freins peuvent varier, mais dans l’industrie de la motoneige (et de l’auto ou de la moto), on utilise généralement un modèle à frottement hydraulique qui consiste en une roue de pompe actionnée dans l’eau. L’autre possibilité, le modèle à inertie, exige que le moteur fasse tourner un tambour lourd, le couple étant calculé en fonction de la vitesse d’accélération du tambour. Dans chaque cas, des ordinateurs font appel à des formules complexes pour calculer le couple du moteur tout au long de sa plage de régimes. Ces données, combinées avec les données de vitesse recueillies par un tachymètre, permettent de calculer la puissance du moteur.

On constatera que les données recueillies directement au vilebrequin du moteur sont plus élevées que celles
prises aux roues ou à la chenille, étant donné que les relevés recueillis au vilebrequin ne sont pas compromis
par la friction et le glissement du système d’entrainement.

Les résultats du dynamomètre sont parfois présentés sous forme de tableau, ou encore, en graphique tels qu’ils apparaissent ici. Pour obtenir la « courbe de couple », on trace les mesures obtenues à différentes vitesses. Quant à la courbe de puissance, on l’obtient en multipliant les données de la courbe de couple par le régime-moteur respectif. Notez que les deux courbes (couple en vert, puissance en rouge) se croisent à exactement 5 252 tr/min.

Comme nous l’avons mentionné ci-haut, il existe plusieurs types de dynamomètres. En plus de les catégoriser par fonctionnement (soit par frein ou inertie), on peut également les distinguer par l’endroit où ils se branchent au système de motorisation : ceux qui mesurent le rendement-moteur directement au vilebrequin (gauche) et ceux qui mesurent la puissance livrée aux roues (droite) ou à la chenille.

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