Echappement

Lorsque l'on analyse le fonctionnement d'un moteur 4 temps et qu'on recense les différents axes sur lesquels intervenir pour en optimiser le rendement, on distingue en général deux types de modifications :

celles qui nécessitent l'ouverture du moteur, et celles qui ne portent que sur des éléments dits de périphérie.

L'optimisation des flux gazeux en entrée et en sortie de chambre de combustion (encore appelée dynamique des fluides appliquée au moteur thermique) appartient, pour une grande partie, à la seconde catégorie (seule la retouche de la partie terminale des conduits, directement dans la culasse, fait partie des interventions internes). De part son principe de fonctionnement même, on peut considérer de manière imagée que le moteur thermique "respire".
Ainsi, tout élément qui permettra de faciliter l'entrée et la sortie des gaz ira dans le sens d'un fonctionnement plus efficace.

Parallèlement à l'adoption d'un filtre à air hautes performances, ou d'un kit d'admission directe, le changement d'un silencieux contre un silencieux tuning de plus gros diamètre, ou même de toute la ligne d'échappement, fait donc partie des premières modifications faites par les amateurs de tuning.

Mais quelle est la différence entre un échappement tuning et un échappement de série ?

Conception d'un echappement

Le cahier des charges d'un système d'échappement (on considère ici l'échappement comme un ensemble collecteur / spaghettis / silencieux) destiné à la série est très spécifique. Il n'est pas conçu pour être le plus efficace dans l'absolu, mais plutôt pour répondre le mieux possible au compromis bruit / efficacité / prix, ce qui est très différent.

Ainsi, suivant vos attentes et les sacrifices que vous êtes prêts à accorder (bruit, argent, agrément), on pourra concevoir plusieurs formules d'échappement, dont les conséquences sur le fonctionnement du moteur seront bien différentes.

La conception d'un échappement repose sur l'exploitation des phénomènes vibratoires et de pression, afin de profiter positivement de l'inertie des colonnes de gaz pour augmenter sensiblement le remplissage. Pour cela, l'idée consiste à utiliser l'énergie importante des gaz brûlés évacués de la chambre de combustion (en surpression) au moment de l'ouverture des soupapes d'échappement, afin d'activer le nettoyage du cylindre, et par la suite, de faciliter l'admission.

Mais dans le pratique, cette optimisation ne peut être utilisée pleinement qu'à un régime déterminé.

Pour assurer un balayage efficace de la chambre de combustion, il faut donc disposer, lors de la phase de croisement, d'une surpression au niveau des soupapes d'admission, et d'un dépression importante à l'échappement. Mais l'exploitation des phénomènes de propagation des ondes est extrêmement complexe.

Pour se faire un idée de la complexité liée à la conception d'un système d'échappement, il suffit de prendre en compte deux principaux éléments qui en régissent le cahier des charges :

Le nombre de cylindres : on conçoit aisément que plus le nombre de cylindres est élevé, plus l'accord des spaghettis d'échappement, les uns par rapport aux autres, sera complexe à réaliser.

On imagine également que le calage des différents cylindres (ordre d'allumage) joue un rôle fondamental sur les tubes à raccorder entre eux.

La température : elle est très élevée en sortie de chambre de combustion, gage d'un grande énergie au niveau de la colonne de gaz imbrûlées. Mais du fait des échanges de chaleur très importants, cette température, à laquelle la vitesse du flux gazeux est directement liée, baisse rapidement le long du conduit. On chiffre ainsi, sur 50 cm de spaghetti, à plusieurs dizaines de degrés, la perte thermique des gaz d'échappement.

On comprend donc que les effets bénéfiques, escomptés par l'utilisation de l'inertie de la colonne de gaz en mouvement, sont décroissants au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la culasse et que, du fait de la variabilité constante de la vitesse des gaz le long des tubes, les calculs de mise en phase des ondes deviennent problèmatiques...

Nous pouvons constater d'un part que la théorie est très compliquée et d'autre part qu'elle ne permet pas de concevoir directement un système d'échappement optimisé, mais qu'il est possible tout au plus de s'en approcher, la mise au point finale nécessitant obligatoirement de longues scéances de test au banc de puissance et donc beaucoup d'argent...

L'onde de pression-depression

Lorsque la soupape d'échappement s'ouvre, l'énergie de pression des gaz génére une onde de pression qui progresse alors le long des spaghettis d'échappement et remonte jusqu'au terminal.

Arrivée à l'extrémité du terminal, cette onde de pression se détend et se réfléchit alors dans le tuyau, refaisant le parcours inverse sous la forme d'une onde de dépression. Remontant alors vers la soupape, cette onde de dépression favorisera le balayage et l'évacuation du cylindre des gaz imbrûlés, à condition qu'elle atteigne la chambre de combustion avant que la soupape ne se ferme.

C'est la raison pour laquelle les tubes d'échappement doivent absoluement avoir des longueurs identiques. Ce qui implique parfois des schémas de spaghettis torturés, du fait de la longueur idéale imposée par le calcul théorique.

Deuxième élément fondamental :

Le diametre des tubes

Le diamètre des tubes est directement lié à celui des soupapes, ainsi qu'aux valeurs de croisement. Plus le croisement aux soupapes est important, plus le moteur est pointu, plus le diamètre de tube devra être conséquent afin de ne pas étouffer le moteur à haut régime.

En fait, dans la pratique, on peut considérer que quasiment 100 % des tubes d'échappement d'origine sont sous-dimensionnés au niveau de leur diamètre. C'est la raison pour laquelle les ligues tuning sont toujours plus grosses que celles d'origine, et peuvent prétendre amener de la puissance (précisément entre 2 et 5 cv dans la plupart des cas).

Troisième élément :

Le raccord des tubes entre eux

On ne raccorde pas les tubes d'échappement qui sortent de la culasse n'importe comment. Il faut tenir compte de l'ordre d'allumage, de la disposition des cylindres et de l'encombrement. Dans le cas d'un 4 cylindres en ligne, comme la 205 GTI, on constate que le branchement idéal est de 1-3 puis 4-2, mais ce choix peut s'avérer problématique pour conserver une même longueur de tubes (contortions de spaghettis).

Dernier élément :

Le terminal (ou silencieux arrière)

Cet élément est essentiellement destiné à atténuer le bruit généré par les gaz d'échappement, car dans le cas (théorique) où le bruit ne serait pas un élément à prendre en compte, le moteur fournirait son meilleur rendement avec des spaghettis à échappement direct.

A l'heure actuelle, des études accoustiques menées par les constructeurs permettent de concevoir des terminaux sophistiqués, associant souvent détente et résonateur en un seul boitier, répondant le mieux possible au compromis bruit / performances / prix.

Ainsi, on peut dire qu'il existe des silencieux de seconde monte qui apportent un réel gain de puissance (souvent minime mais sensible). Pas d'illusion cependant, on perdra souvent d'un côté ce que l'on aura gagné de l'autre. Soit le pot est plus bruyant que celui d'origine (le propriétaire risque de sortir du cadre légal), soit le coût de son développement se répercute sur son prix de vente.

En fait, un silencieux arrière n'est réellement efficace que s'il est inclu dans le programme d'un préparation complète (souvent très coûteuse). L'unique remplacement du silencieux n'apporte en général qu'un gain de puissance symbolique. Ces échappements permettent, le plus souvent, de gagner sensiblement en souplesse ou en couple sur quelques zones de la courbe de régime et, surtout, d'obtenir un bruit plus en accord avec ce que le conducteur attend de sa machine.

Il est possible en effet, à puissance acoustique égale (en l'occurrence 74 Db), d'obtenir un son plus sourd, plus grave, plus "viril". Enfin, les échappements de seconde monte, en intégrant l'utilisation de matériaux haut de gamme, permettent parfois, outre un aspect esthétique indéniable, de gagner sensiblement en terme d'état de surface (cas de l'inox par rapport à la fonte pour un collecteur par exemple), ou de poids (demandez à Ruggeri pourquoi il utilise des tubes en titane pour ses collecteurs de courses...) par rapport à la pièce d'origine.

Un élément non négligeable sur les voitures destinées à la compétition.