Comprendre l'échappement

Comprendre l'échappement

Le système d’échappement

En fonction de leur conception et de leur objectif, tous les systèmes d'échappement compromettent quelque chose pour obtenir autre chose.

Avant d'effectuer des changements ou des modifications d'échappement pour augmenter les performances, il est essentiel de déterminer le type de performances que vous souhaitez.

• Voulez-vous la meilleure puissance possible dans les bas et moyens régimes ou une puissance maximale dans les hauts régimes ?

• Utiliserez-vous des cames de rechange avec une portance, une durée, un timing et un chevauchement différents?

• Avez-vous étudié la relation entre le couple (force) et la puissance (quantité de travail dans le temps)?

• Voulez-vous un système d’échappement cosmétique ou un système d’échappement performant ?

Sans une réflexion approfondie sur ces variables, un système d’échappement peut donner des résultats très décevants.

D’un autre côté, un système d’échappement correctement conçu et réglé, bien adapté au moteur, peut fournir des gains de puissance exceptionnels.

La distinction entre « puissance maximale » et « performances maximales » est significative au-delà du débat général.

En réalité, un seul système d’échappement ne peut pas produire à la fois une puissance et des performances maximales.

Pour qu'une moto parcoure la distance «X» le plus rapidement possible, ce n'est pas la puissance maximale générée par le moteur qui est la plus critique.

C’est la puissance moyenne la plus élevée générée sur la distance qui produit généralement le temps le plus rapide.

 Lorsque l'on compare deux courbes de puissance sur un tableau dynamométrique (en supposant que les autres facteurs restent constants), la courbe contenant la puissance moyenne la plus élevée est celle qui couvrira généralement la distance dans le moins de temps et cette courbe peut, ou non, contenir la puissance moyenne la plus élevée possible. puissance de crête.

Au sens technique le plus strict, un système d’échappement ne peut pas, à lui seul, produire plus de puissance.

 La puissance potentielle d'un moteur est déterminée par la quantité appropriée de carburant disponible pour la combustion.

 Cependant, l’efficacité des processus de combustion et de pompage du moteur est profondément influencée par le système d’échappement. 

Un système d’échappement correctement conçu peut réduire les pertes par pompage du moteur. Par conséquent, l’objectif de conception d’un échappement haute performance est (ou devrait être) de réduire les pertes par pompage du moteur et, ce faisant, d’augmenter l’efficacité volumétrique. 

Le résultat net de la réduction des pertes par pompage est plus de puissance disponible pour déplacer la moto.

 À mesure que l'efficacité volumétrique augmente, la consommation potentielle de carburant augmente également car moins d'ouverture du papillon est nécessaire pour déplacer la moto à la même vitesse.

De nombreuses controverses (et une confusion apparente) entourent la question de la « contre-pression » des gaz d'échappement. De nombreuses personnes soucieuses de la performance, mais par ailleurs bien informées, s'accrochent encore avec ténacité au concept de la vieille école.... "Il faut plus de contre-pression pour de meilleures performances."

Pour pratiquement toutes les applications de haute performance, la contre-pression dans un système d'échappement augmente les pertes par pompage du moteur et diminue la puissance disponible du moteur. 

Il est vrai que certains moteurs sont réglés mécaniquement sur une contre-pression « X » et peuvent présenter une perte de couple à bas régime lorsque cette contre-pression est réduite. 

Il est également vrai que le même moteur qui a perdu du couple à bas régime avec une contre-pression réduite peut être mécaniquement réajusté pour afficher une augmentation du couple à bas régime avec la même réduction de contre-pression. 

Plus important encore, la puissance maximale à régime moyen à élevé sera obtenue avec la contre-pression la plus faible possible. Période!

L'objectif de la plupart des modifications du moteur est de maximiser le débit d'air et de carburant entrant ainsi que le débit d'échappement hors du moteur.

 L'afflux d'un mélange air/carburant est un problème distinct, mais il est directement influencé par le débit d'échappement, en particulier lors du chevauchement des soupapes (lorsque les deux soupapes sont ouvertes pendant "X" degrés de rotation du vilebrequin). 

L'essence a besoin d'oxygène pour brûler. En volume, l'air ambiant sec au niveau de la mer contient environ 21 % d'oxygène, 78 % d'azote et des traces d'argon, de CO2 et d'autres gaz. Étant donné que l'oxygène ne représente qu'environ 1/5 du volume de l'air, un moteur doit aspirer 5 fois plus d'air que d'oxygène pour obtenir l'oxygène dont il a besoin pour alimenter la combustion du carburant. 

Si nous introduisons un additif contenant de l'oxygène tel que l'oxyde nitreux, ou si nous utilisons un carburant contenant de l'oxygène tel que le nitrométhane, nous pouvons produire beaucoup plus de puissance avec la même cylindrée car les deux additifs apportent plus d'oxygène à la chambre de combustion pour soutenir la combustion de plus de carburant. carburant.

 Si nous ajoutons un compresseur ou un turbocompresseur, nous obtenons plus de puissance pour la même raison…. plus d’oxygène est forcé dans la chambre de combustion.

Théoriquement, dans un état de fonctionnement normalement aspiré, sans carburant ni additifs riches en oxygène, le potentiel de puissance maximale d'un moteur est directement proportionnel au volume d'air qu'il circule. Cela signifie qu'un moteur de 80 pouces cubes a le même potentiel de puissance maximale qu'un moteur de 100 pouces cubes, s'ils débitent tous deux le même volume d'air. 

Dans cet exemple, les caractéristiques de plage de puissance des deux moteurs seront très différentes mais la puissance maximale atteignable est essentiellement la même.

Volume d'écoulement et vitesse d'écoulement
L'un des plus gros problèmes liés aux systèmes d'échappement est la relation entre le volume d'écoulement de gaz et la vitesse d'écoulement de gaz (qui s'applique également à la voie d'admission). Un moteur a besoin de la vitesse d'écoulement la plus élevée possible pour une réponse rapide de l'accélérateur et un couple dans toute la partie basse à moyenne de la plage de puissance.

 Le même moteur a également besoin du volume de débit le plus élevé possible dans toute la partie moyenne à haute de la plage de puissance pour des performances maximales. C’est là qu’un conflit fondamental surgit. 

Pour une quantité « X » de pression d'échappement au niveau d'une soupape d'échappement, un tuyau d'échappement de plus petit diamètre fournira une vitesse d'écoulement plus élevée qu'un tuyau de plus grand diamètre.

 Malheureusement, les lois de la physique ne permettent pas à ce même tuyau de petit diamètre de circuler avec un volume suffisant pour obtenir une puissance maximale possible à un régime plus élevé. 

Si nous installons un tuyau de plus grand diamètre, nous aurons un volume de débit suffisant pour une puissance maximale à régime moyen à élevé, mais la vitesse d'écoulement diminuera et la réponse de l'accélérateur et le couple à bas et moyen régimes en souffriront. Il s’agit du principal paradoxe de la dynamique du flux d’échappement et la solution réside généralement dans un compromis de conception qui produit une réponse acceptable de l’accélérateur, un couple et une puissance sur toute la plage de puissance.

Une erreur très courante commise par certains spécialistes de la performance est de choisir un système d'échappement avec des tuyaux dont le diamètre est trop grand pour l'état de réglage de leur moteur.

 Plus gros n’est pas nécessairement meilleur et c’est souvent pire.

Échappement de longueur égale
L'efficacité de l'échappement de longueur égale est largement débattue.

 En supposant qu’un système d’échappement soit correctement conçu, les tuyaux de longueur égale offrent certains avantages qui ne sont pas présents avec des tuyaux de longueur inégale.

 Ces avantages sont un fonctionnement plus fluide du moteur, une simplicité de réglage et un couple accru à bas et moyen régime.

Si les tuyaux ne sont pas de longueur égale, le balayage inertiel et le balayage des vagues varieront souvent de façon spectaculaire selon les cylindres du moteur.

 Ceci, à son tour, entraîne des exigences de réglage différentes pour différents cylindres. 

Ces variations affectent les mélanges air/carburant et les exigences de synchronisation, et peuvent rendre très difficile l'obtention d'un réglage optimal.

 Des tuyaux de longueur égale éliminent ces difficultés induites par les gaz d'échappement. "Tuning", dans le contexte utilisé ici, ne signifie pas installer de nouvelles bougies d'allumage et un filtre à air. 

Cela signifie configurer une combinaison de composants mécaniques pour une efficacité maximale dans un but spécifique et on ne saurait trop insister sur le fait qu'un tel réglage est la voie vers des performances supérieures avec une combinaison de pièces qui doivent fonctionner ensemble de manière complémentaire.

Dans un système d'échappement correctement conçu pour son application, des tuyaux de longueur égale sont généralement plus efficaces.

 Les longueurs des sections primaire et principale des tuyaux influencent fortement l'emplacement du ou des pics de couple dans la plage de puissance.

 Dans les performances sur route et sur piste, les moteurs dotés de tuyaux plus longs produisent généralement plus de couple à bas et moyen régimes que les tuyaux plus courts et c'est le couple qui fait bouger une moto.

 La question est... Où dans la plage de puissance souhaitez-vous maximiser le couple ? 

• Les tuyaux plus longs ont tendance à augmenter la puissance en dessous du pic de couple du moteur et les tuyaux plus courts ont tendance à augmenter la puissance au-dessus du pic de couple. 

• Les tuyaux de grand diamètre ont tendance à limiter la puissance à basse gamme et à augmenter la puissance à haute gamme. 

• Les tuyaux de petit diamètre ont tendance à augmenter la puissance à basse gamme et, dans une certaine mesure, à limiter la puissance à haute gamme. 

• Les chambres « d'équilibre » ou « d'égalisation » entre les tuyaux d'échappement ont tendance à aplatir le(s) pic(s) de couple et à élargir la plage de puissance.

Parmi les constructeurs d'échappement les plus astucieux et les plus responsables, il est plus ou moins entendu que les variations de longueur des tuyaux ne doivent pas dépasser 1" pour être considérées comme égales.

Même cette norme peut entraîner une différence de 2" si un tuyau est court d'un pouce et un autre. le tuyau mesure un pouce de long.

Récupération des gaz d'échappement et ondes d'énergie
Le balayage inertiel et le balayage des vagues sont des phénomènes différents, mais tous deux ont un impact sur l'efficacité du système d'échappement et s'influencent mutuellement.

 Le balayage est simplement l’extraction de gaz. Ces deux effets de piégeage sont directement influencés par le diamètre, la longueur, la forme et les propriétés thermiques du matériau du tuyau (acier inoxydable, acier doux, revêtements thermiques, etc.).

 Lorsque la soupape d’échappement s’ouvre, deux choses se produisent immédiatement. 

Une onde d'énergie, ou impulsion, est créée à partir des gaz de combustion en expansion rapide.

 La vague pénètre dans le tuyau d'échappement et se déplace vers l'extérieur à une vitesse nominale de 1 300 à 1 700 pieds par seconde (cette vitesse varie en fonction de la conception du moteur, des modifications, etc., et est donc indiquée comme une vitesse « nominale »). 

Cette onde est de l’énergie pure, semblable à une onde de choc provenant d’une explosion.

 Simultanément à la vague d'énergie, les gaz de combustion épuisés pénètrent également dans le tuyau d'échappement et se déplacent vers l'extérieur plus lentement à une vitesse nominale de 150 à 300 pieds par seconde (la puissance maximale est généralement obtenue avec des vitesses de gaz comprises entre 240 et 300 pieds par seconde).

 Étant donné que la vague d’énergie se déplace environ 5 fois plus vite que les gaz d’échappement, elle arrivera là où elle va plus vite que les gaz.

 Lorsque l'onde d'énergie sortante rencontre une zone de pression inférieure telle qu'une section de tuyau d'un deuxième diamètre ou plus, le silencieux ou l'atmosphère ambiante, une onde de réversion (une onde inversée ou en miroir) est réfléchie vers la soupape d'échappement sans perte significative de vitesse. .

L'onde de réversion revient vers la soupape d'échappement sur une trajectoire de collision avec les gaz sortants, après quoi ils se traversent, avec une certaine perte d'énergie et des turbulences, et continuent dans leurs directions respectives.

 Ce qui se passe lorsque cette onde de réversion arrive à la soupape d'échappement dépend du fait que la soupape est toujours ouverte ou fermée. 

Il s’agit d’un moment critique du cycle d’échappement car l’onde de réversion peut être bénéfique ou préjudiciable au débit d’échappement, en fonction de son heure d’arrivée à la soupape d’échappement. 

Si la soupape d'échappement est fermée lorsque l'onde de réversion arrive, l'onde est à nouveau réfléchie vers la sortie d'échappement et finit par dissiper son énergie dans ce mouvement de va-et-vient.

 Si la soupape d'échappement est ouverte lorsque la vague arrive, son effet sur le débit des gaz d'échappement dépend de la partie de la vague qui frappe la soupape d'échappement ouverte.

Une vague est composée de deux pressions alternées et opposées. Dans une partie du cycle ondulatoire, les molécules de gaz sont comprimées. 

Dans l’autre partie de l’onde, les molécules de gaz se raréfient. Par conséquent, chaque onde contient une zone de compression (nœud) de pression plus élevée et une zone de raréfaction (antistœnœud) de pression plus faible.

Un tuyau d'échappement de la bonne longueur (pour une plage de régime spécifique) placera le ventre de la vague au niveau de la soupape d'échappement au bon moment car sa pression plus basse aidera à remplir la chambre de combustion avec une nouvelle charge entrante et pour extraire les gaz épuisés de la chambre.

 Il s'agit du balayage des ondes ou du « réglage des ondes ».

De ces événements cycliques du moteur, on peut déduire que la partie bénéfique d'une onde de réversion se déplaçant rapidement ne peut être présente au niveau d'un orifice d'échappement que pendant certaines parties de la bande de puissance puisque son heure d'arrivée relative change avec le régime. 

Cela rend difficile le réglage d'un système d'échappement pour tirer parti des ondes de réversion.

C'est pourquoi il existe divers dispositifs anti-réversion conçus pour améliorer les performances.

 Ces dispositifs anti-réversion sont conçus pour affaiblir et perturber les ondes de réversion néfastes (lorsque le nœud à plus haute pression de l'onde empêche le balayage et l'aspiration).

 Les déflecteurs de performance spécialement conçus peuvent être extrêmement efficaces, tout comme les têtes dotées de ports en forme de D.

 Contrairement aux ondes de réversion qui n’ont pas de masse, les gaz d’échappement ont une masse.

 Puisqu'ils sont en mouvement, ils ont également une inertie (ou « élan ») lorsqu'ils se déplacent vers l'extérieur à leur vitesse relativement lente de 150 à 300 pieds par seconde. Lorsque les gaz se déplacent vers l'extérieur sous forme de colonne de gaz à travers le tuyau d'échappement, une zone de pression décroissante est créée dans le tuyau derrière eux.

 Il peut être utile de considérer cette zone de pression inférieure comme un vide partiel et on peut visualiser la pression inférieure vide « attirant » les gaz d'échappement résiduels de la chambre de combustion et de l'orifice d'échappement. 

Cela peut également aider à aspirer de l’air frais/de la charge de carburant dans la chambre de combustion.

 Il s'agit d'un balayage inertiel qui a un effet majeur sur la puissance du moteur à bas et moyen régimes.

Il existe d'autres facteurs qui compliquent encore le comportement des gaz d'échappement.

 Les harmoniques des vagues, l’amplification des vagues et les effets d’annulation des vagues jouent également un rôle dans le schéma des événements d’échappement.

 L’interaction de toutes ces variables est si abstraitement complexe qu’elle est difficile à comprendre pleinement.

 Il ne semble pas exister de formule absolue permettant d’obtenir une conception d’échappement parfaite.

 Même les systèmes d'échappement conçus par super-ordinateur doivent subir des tests sur banc, sur piste et sur route pour déterminer la configuration nécessaire pour les résultats souhaités.

 Enfin et surtout, les choix et combinaisons corrects de carburateur, de filtre à air, d'arbre à cames, d'allumage et d'échappement utilisés dans les bonnes relations les uns avec les autres pour l'application de conduite prévue produiront toujours les meilleurs résultats de qualité.

 Le plus important est de faire vos recherches avant d'acheter la combinaison de produits et d'équipements la mieux adaptée à votre style de conduite individuel.