Cet article fournit une analyse détaillée de l’acyclisme du moteur à 3 cylindres en ligne. Les forces, couples et moments liés à la pression des gaz et aux inerties sont explicités et des formules facilement utilisables par le lecteur sont données. L’analyse temporelle (ou angulaire) et l'analyse harmonique du couple instantané du moteur à 3 cylindres en ligne sont présentées. S'ensuit une comparaison systématique des comportements en acyclisme des moteurs à 3 et 4 cylindres en ligne, ainsi qu’une comparaison entre moteurs essence et diesel. Enfin, deux études utiles pour tous types de moteurs sont proposées (modélisation dynamique de la bielle et inerties des parties tournantes du moteur).
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Instantaneous angular speed fluctuations of thermal engines - Focus on 3-cylinder engine and comparison with 4-cylinder engine
A detailed analysis of the inline 3-cylinder engine acyclism is provided in this paper. The forces, torques and moments related to the gas pressure and inertia are explained, and formulae which are easily usable by the reader are also provided. The time (or angular) and harmonic analysis of the instantaneous torque of the in-line 3-cylinder engine are presented. A systematic comparison of the acyclism behaviour of in-line 3-cylinder and 4-cylinder engines is carried out, as well as a comparison between petrol and diesel engines. Finally, two studies usefull for all types of engines are proposed (dynamic modelling of the connecting rod and inertia of the rotating parts of the engine).
Auteur(s)
Elian BARON
: Ingénieur-Docteur - Expert Chaîne Cinématique - Renault Automobiles, Guyancourt, France
L’acyclisme d’un moteur fait partie des phénomènes que les motoristes mettent sous contrôle, les aspects bruits et vibrations revêtant de nos jours une importance particulière, au même titre que la performance ou la consommation. La notion d’acyclisme est définie dans un précédent article [BM 2 588], relatif au moteur monocylindre ; nous rappelons que l’acyclisme peut être présentée comme la non-uniformité de rotation du vilebrequin pendant un cycle de fonctionnement. Un second article [BM 2 589] s'intéresse à l’acyclisme du moteur 4 cylindres, vu comme une association de moteurs monocylindres. Si le moteur à 4 cylindres en ligne reste en effet aujourd’hui le plus utilisé dans le monde de l’automobile, il convient aussi d’étudier l’acyclisme du moteur à 3 cylindres en ligne. En effet, ce type de moteur est aujourd’hui de plus en plus utilisé sur les véhicules d’entrée de gamme, notamment pour minimiser la consommation. Il n’est cependant pas sans inconvénient, notamment d’un point de vue acoustique et vibratoire. Les acyclismes du moteur 3 cylindres sont génétiquement plus marqués que ceux du moteur à 4 cylindres dont il dérive en général.
Dans cet article consacré à l’acyclisme du moteur à 3 cylindres, nous restons fidèles à notre approche systématique, en détaillant chaque notion de façon précise et progressive. De façon systématique également, des exemples numériques sont fournis, le plus souvent de façon graphique, l’acyclisme étant pratiquement assez « visualisable ».
On ne peut traiter de l’acyclisme du moteur à 3 cylindres sans le comparer à son « grand frère » à 4 cylindres (essence et diesel). Les principales grandeurs relatives à ces deux types de moteurs sont rappelées et mises en perspective sous forme de tableaux, moyen le plus efficace pour synthétiser l’ensemble sous la forme d’un outil simple et utilisable.
Enfin, nous explicitons le comportement dynamique de la bielle (approche valable quel que soit le type de moteur thermique considéré : 3 cylindres, 4 cylindres, essence ou diesel) et nous fournissons au lecteur les ordres de grandeur des principales inerties rotatives des éléments constitutifs de l’attelage mobile (volant d’inertie, mécanisme d’embrayage, vilebrequin, poulie d’entraînement de distribution, bielle, piston).
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.
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L’objet de ce paragraphe est de fournir au lecteur les ordres de grandeur des principales inerties rotatives des éléments constitutifs de l’attelage mobile, c’est-à-dire le volant d’inertie, le mécanisme d’embrayage, le vilebrequin, la poulie d’entraînement de distribution, la bielle et le piston.
5.1 Volant d’inertie et mécanisme d’embrayage
Ces deux éléments sont solidaires, raison pour laquelle nous avons choisi de les regrouper dans un même paragraphe. Les valeurs d’inerties indiquées sont issues d’applications récentes (3 mais surtout 4 cylindres), leur nombre étant suffisant pour permettre de tirer des lois d’« ordre 1 » utilisables en première approche par l’ingénieur ou le technicien automobile (dans chaque cas, les incertitudes sont de l’ordre de 5 %).
Le volant d’inertie joue un rôle de première importance dans la réduction de l’acyclisme du moteur. À ce titre, le choix de l’inertie du volant, mais aussi du type de technologie (volant simple, DVA (Double volant amortisseur)…), n’est pas anodin et permet d’appréhender un certain choix de politique technique du constructeur vis-à-vis des excitations de rotation.
La figure 21 montre des inerties de volants représentatives d’applications actuelles, en essence et en diesel. Il s’agit ici de volants simples, par opposition au DVA, utilisé en diesel, mais aussi en essence, pour des moteurs de couples supérieurs à 200 N.m. Il existe certaines applications à très forts couples en volant simple, mais il s’agit essentiellement d’applications de type véhicules utilitaires où la priorisation des prestations n’est pas exactement la même qu’en véhicules particuliers.
Nous avons choisi de représenter les valeurs d’inertie en fonction du couple moteur, cette dernière grandeur étant plus ou moins directement reliée à l’acyclisme. Si l’on devait donner une loi d'ordre 1 reliant l’inertie du volant moteur (en g.m2) au couple maximum Cmax de ce dernier (en N.m), on poserait (pour des véhicules de tourisme) :
moteurs essence :
...
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Moteurs alternatifs à combustion interne – Désignation du sens de rotation et des cylindres et des soupapes dans les culasses, et définition des moteurs en ligne à droite et à gauche et des emplacements sur un moteur.
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NF ISO 1204
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1999
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 3 : mesurages pour les essais.
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NF ISO 3046-3
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2006
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 4 : régulation de la vitesse.
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NF ISO 3046-4
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2010
Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 5 : vibrations de torsion.
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NF ISO 3046-5
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2002
Moteurs alternatifs à combustion interne – Vocabulaire des composants et des systèmes – Partie 1 : structure du moteur et de ses capotages.
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NF ISO 7967-1
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2005
Moteurs alternatifs à combustion interne – Vocabulaire des composants et des systèmes – Partie 2 : mécanismes principaux.
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NF ISO 7967-2
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2011
Bibliographie & annexes
En anglais
Conclusion
