Quart d'onde a l'admission - Optimisation du remplissage

[Fram]

Hello a tous

j'ouvre un petit sujet sur l'optimisation des conduits d'admission et autre boite a air.
Je commence par reprendre le calcul théorique du quart d'onde a l'admission fait par Porco Rosso il y a un paquet de temps sur le forum fiat126.fr (n'existe plus hormis l'archive web):

-Déjà il faut que ta tubulure d'admission ait une forme légèrement conique, le gros diamètre coté carbu, ça tombe bien, diamètre 40, et le petit diamètre, côté soupape. Ensuite, il faut que cette tubulre conique et complète, carbu et culasse compris, ne dépasse pas un angle de 15°, sinon, tu vas trop étrangler le flux gazeux. Au pire, ta tubulure doit avoir le même diamètre partout. Par contre il ne faut pas qu'en aval il y ait un diamètre plus gros qu'en amont, tu freinerait la vitesse du flux.

Comme je le disais plus haut, il existe un phénomène dynamique qu’on appel le " QUART D’ONDE ". On peut donc se servir de ce phénomène pour mieux remplir notre chambre de combustion. Explications :

Lorsque la soupape d’admission s’ouvre et que le piston descend, il se produit un écroulement de la veine gazeuse vers cette chambre, donc une dépression. Cette veine gazeuse ayant une inertie propre, le mélange à côté de la soupape rentre dans la chambre, alors que le mélange prés du carbu n’a pas encore bougé. Lorsque cette veine est rentrée dans la chambre, avec l’inertie, sa vitesse se transforme en pression. 3 cas de figures sont alors possibles :

1 - La soupape d’admission se ferme trop tard et toute la veine gazeuse est rentrée dans la chambre (surpression) et commence à ressortir par le même chemin. Mauvais remplissage ! C’est ce qui se passe à BAS REGIME.

2 - La soupape d’admission se ferme trop tôt et coupe la veine gazeuse qui est en train de rentrer dans la chambre. Mauvais remplissage ! C’est ce qui se passe à HAUT REGIME.

3 - La soupape d’admission se ferme au bon moment, c’est à dire quand la veine gazeuse est rentrée et est sur le point de ressortir. Remplissage parfait. C’est ce qui se passe à un régime moteur unique.

Car en fait il n’y a qu’un régime moteur précis pendant lequel la fréquence engendrée par le piston est en accord parfait avec la résonance du tube d’admission (conduit + pipe + piston + cornet), et donc que la chambre de combustion se remplie parfaitement. C’est le régime d’accord ou de résonance. La longueur du tube complet d’admission (conduit culasse + pipe + carbu + cornet) détermine avec d’autres données(température des flux, etc…) ce fameux régime de résonance. Plutôt que d’essayer de le calculer sur nos moteur d’origine, il est plus facile donc de modifier la longueur du tube d’admission pour recréer cette résonance parfaite au couple voulu. Et tant qu’à faire de le créer au REGIME DE COUPLE !

Le régime de couple d’un moteur, est le régime avec lequel le moteur délivre son couple maximum. Sur la 126, le régime de couple est à 3400 tr/min pour 4m.kg. Il serait donc judicieux de créer cette résonance parfaite à 3400 tr/min. C’est à dire d’avoir le remplissage optimum au couple optimum…

Mais à quoi ressemble cette vibration au QUART D’ONDE dans le tube d’admission ?

Lorsque la soupape d’admission s’est ouverte, et que le piston descend, la veine gazeuse s’écroule dans la chambre, puis la soupape se ferme. En plus de la vibration engendrée par le mouvement du piston, il se créé une autre vibration dans le tube d’admission, entre 2 ouvertures de soupape. Prenez un tube et tapez à une extrémité avec une plaque. Vous entendrez un coup suivi de plusieurs échos. Il se passe la même chose dans le tube d’admission d’une voiture. D’un côté il est ouvert (carbu) et de l’autre fermé (soupape). Entre 2 ouvertures de soupapes, il entre donc en oscillation.

Lorsque la soupape se ferme, la veine gazeuse en mouvement bute sur celle ci et une onde de pression remonte le conduit d’admission. Arrivée à la sortie du carbu, cette onde se transforme en onde négative ou dépression qui redescend vers la soupape, puis arrivée à la soupape, se réfléchit SANS CHANGER DE SIGNE remonte vers le carbu pour se retransformer en onde de pression et redescend vers la soupape, et ça continue, et ça continue…Jusqu’à la prochaine ouverture de la soupape.

La période de cette onde s’écrit : To = 4 L /C

Avec L = longueur du tube complet en mètre.
C = Vitesse de l’onde en m/s

On a donc tout intérêt à ce que la soupape se réouvre au moment où l’onde de pression soit positive, c’est à dire en surpression, c’est à dire quelle ait fait 2 fois l’aller – retour du tube d’admission, c’est à dire encore que tout le tube d’admission soit en pression et non pas en dépression. Cela améliorera donc le remplissage de la chambre !

Un peu de calcul :

Il faut donc que le temps de FERMETURE de la soupape d’admission Tfs corresponde pile poil au temps que mets l’onde à parcourir 4 fois le tube d’admission, ceci afin qu’à l’ouverture de la soupape, le conduit soit en surpression.

Tfs = To = k x 4 L / 344 avec k entier = 1, 2, 3 etc…

L’angle total d’ouverture de soupape est ègale à 180° + AOA + RFA, c’est à dire 180° + 26° + 56° = 262 °.
L’angle total de FERMETURE est donc égal à Tfs = (360° x 2) – 262° = 458 °

Donc pour un régime N en tr/min, la durée de fermeture de la soupape est :
Tfs = 458 ° / 6 N
Si Tfs = To ça donne : k x 4 L / 344 = 458° / 6 N

On a donc pour un régime donné :
N = 458 ° x 344 / 24 k L Tout le monde suit ?

Avec k le facteur d’harmonique : plus il est important, plus la pression à la soupape est faible, car l’onde à fait pour k=1 ; 4 fois la longueur de la tubulure, pour k=2 ; 8 fois la longueur de la tubulure, etc…

On s’aperçoit déjà sur la formule que plus la longueur du conduit L est grande et plus le régime d’accord N ou de résonance sera bas. Ce qui prouve qu’en général, comme le disait Jo, les longs conduits d’admission favorisent les couples à bas régime et les conduits courts les hauts régimes. Mais les conduits longs entraînent aussi des pertes de vitesse des gaz dues aux frottements. Ici, sur la Fiat 126, L = 58 cm, c’est à dire 8 cm du conduit de la culasse + 9,5 cm de l’entretoise et du carbu + 40 cm du tube allant du filtre au carbu.

Par défaut le régime de résonance de ma Fiat 126 est donc de :
N = 157552 / 24 x 1 x 0,58 = 11 318 tr/min pour k = 1

pour k = 2 N = 5659 tr/min
pour k = 3 N = 3772 tr/min - Tiens donc ! Ca me rappelle les 3400 tr/min de mon régime de couple !
pour k = 4 N = 2829 tr/min
pour k = 5 N = 2263 tr/min
etc…

Au delà de la 3eme harmonique, l’onde n’a quasiment plus aucun effet.

Mais mon régime de couple à est 3400 tr/min ! Quelle doit être donc la longueur de ma tubulure pour avoir une résonance parfaite à ce régime ?
L = 458 ° x 344 / 24 k 3400 = (avec k = 3 ) 0,64 mètres, soit 64 cm.

Donc pour avoir une résonance parfaite de mon Fiatou à 3400 tr/min c’est à dire au régime de couple, la longueur de ma tubulure complète doit être de 64 cm au lieu des 58 cm réels. Hasard ou voulu, les ingénieurs de chez FIAT l'on fait à 6 cm prêt !

Tout ceci pour vous expliquer qu’avec du calcul et les adaptations mécaniques qui en découlent (tatonnement de Nico), on peut améliorer sensiblement ou énormément nos moteurs (moyenant finance pour le « énormément » !). L’arbre à came et ses durées d’ouverture, la température de l’air qui influe sur la vitesse de propagation de l’onde ©, la longueur de la tubulure complète, etc…Tous ces paramètres font varier la puissance de vos bolides.

Vous comprenez aussi pourquoi les cornets d’admissions que l’on installe sur les carbus sont vendus dans différentes longueurs, car plus facile à démonter pour faire varier la longueur totale de la tubulure, que de refaire une pipe d’admission !

[Anna]

Sujet bien connu
Si les ingé sont trop courts pour la 126, c'est peut-être parce que à l'origine la configuration du moteur était pour un 500.

[Fram]

Si les ingé sont trop courts pour la 126, c'est peut-être parce que à l'origine la configuration du moteur était pour un 500.

Vi, la finalité du truc c'est de (re)dessiner une tubulure d'admission optimisée en fonction d'un moteur specifique: cylindré, régime de couple max, de Pmax, etc
Et pourquoi pas une admission a géométrie variable pour optimiser le remplissage a bas et moyen régime, mais aussi a haut régime a la Pmax.

Je me documente sur les systèmes d'admission VR de chez VAG ainsi que le Varioram de chez Porsches (pas tout a fait la meme approche, mais la finalité est identique)
 

[charles]

autres remarques,
 sur la "conicité" du conduit, vizard preconise beaucoup moins que 15° (7° max?), je te rechercherais ça si ça t'interesse
pour le diametre du conduit, ne pas considerer que le diametre interne du siege de soupape est le bon diametre de départ: justement, il y a la soupape qui obstrue le flux d'air, et si on a bien bossé (3angles, back cut...), on considere que la zone de siege ne laissera passer que 0.8xD. d'ou l'absence d'interet d'agrandir les conduits outre mesure.
au niveau aide au remplissage, il est décrit 2 phénomenes:
-inertiel (ram tuning), par la longueur, et le diametre de l'admission: j'ai essayé un peu, ça marche, si on s'amuse à changer le diametre du tube d'admission
-acoustique (1/4 d'onde), comme décrit dans l'article. A noter qu'à ta longueur d'admission, il faut rajouter 1/2 fois le diametre de ton cornet (dixit Vizard)
au passage, on n'a pas forcement envie de le faire coincider avec le point de couple max, mais aussi "à coté", pour aplatir la courbe de couple, comme sur un moteur routier par exemple.

[Fram]

Charles pour ton retour!
Quelles sont tes sources techniques? littérature?

[charles]

Oui, vizard, et d’autres ( heywood : parfois completement imbittable pour ma part.., ), je t’avais filé un lien vers ma dropbox?( y a pas tout, mais du sympa), faut que j’en rajoute.

[olidomidum]

Que se passe-t-il dans nos moteurs où l'admission est forcée par le ventilateur de refroidissement ?

[charles]

Salut oli,
J'ai pas pris de mesure encore, elle est forcée, certes, mais probablement sans surpression, car l'air a la possibilité de s'échapper.
Pas de surpression, pas d'augmentation de densité, pas de gain de puissance.
Ceci dit, je pense que ça donne une aide au remplissage dans certains cas, en donnant de la vitesse à l'air.
J'ai une partie sup de carter de ventilation, modifiée, à finir puis à tester.

[Andr006]

Et dire que j'ai loupé ce post, bravo Fram c'est super bien expliqué ;)
Ça me donne des idées

[charles]

Charles pour ton retour!
Quelles sont tes sources techniques? littérature?

ah oui, j'ai oublié le plus important:
tres costaud, mais du coup tres complet, une vraie reference:
https://www.amazon.com/Scientific-Exhaust-Systems-Engineering-Performance/dp/0837603099
on le trouve sur libgen maintenant, il faudrait que je le rajoute sur ma drop box

[charles]

et un article, avec calculateur, pour completer:
http://leroyl.free.fr/articles/admission.htm

[Fram]

Le poste original n'est pas de moi mais de Porco Rosso a l'époque.
J'ai cherché un moment pour remettre la main dessus mais j'y suis arrivé! (Web archive du forum fiat126.fr)
le calcul a le mérite d'être complet et l'exemple se base sur nos berlingots!

Charles, oui je connais bien ton lien vers leroyl.free.fr, tres bien (la aussi, j'ai peur que ce genre de page perso free disparaisse un jour, faudrait voir a la dupliquer sur le forum)
 

[charles]

Oui, ce serait une bonne idée !

[x@v]

Que se passe-t-il dans nos moteurs où l'admission est forcée par le ventilateur de refroidissement ?

Excellente question 👍
Selon moi et sans faire de calcul, le principe d air forcé à  l admission de nos petites Fiat doit apporter un gain significatif à bas régime et être un réel échec pour les hauts régimes.

[Porco Rosso]

Yo every body ! 
Je vois que la passion et les questions techniques ne se sont pas effilochées après plus de 15 ans d'absence  ça fait zizir...
Au plaisir de vous lire ^^