Echappement

INTRUDUCTION
COMMENT FONCTIONNE UN ECHAPPEMENT?
CONCEPTION D'UN ECHAPPEMENT
ONDE DE PRESSION ¦ DEPRESSION
LE TUNING
LES LIGNES

INTRUDUCTION
Après l'admission, il était logique que nous abordions l'échappement dans le cadre d'une intervention tuning. Le changement du silencieux, voire de toute la ligne, apparaît, en effet, comme l'une des premières modifications décidées par l'amateur de tuning.
COMMENT FONCTIONNE UN ECHAPPEMENT?
Lorsqu'on analyse le fonctionnement d'un moteur quatre 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 par 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 du 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 de série et un modèle tuning?
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 les attentes du client et les sacrifices qu'il est prêt à consentir (argent, bruit, agrément), on pourra concevoir plusieurs "formules" d'échappements, 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'inertie importante des gaz brûlés évacués de la chambre de combustion (en surpression) au moment de l'ouverture de la (ou des) soupape(s) d'échappement, afin d'activer le nettoyage du cylindre et, par la suite, de faciliter l'admission. Mais dans la 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 de la (ou des) soupape(s) d'admission, et d'une dépression importante à l'échappement. Mais l'exploitation des phénomènes de propagation des ondes est extrêmement complexe. Pour se faire une 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'une grande énergie au niveau de la colonne de gaz imbrûlés. 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 problématiques... Nous pouvons constater d'une 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 séances de test au banc de puissance et donc beaucoup d'argent.

ONDE DE PRESSION ¦ DEPRESSION
Lorsque la soupape d'échappement s'ouvre, l'énergie de pression des gaz génère une onde de pression qui progresse alors le long des spaghettis happement 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 cours en sens inverse sous la forme d'une onde de dépression. Remontant s vers la soupape, cette onde de pression favorisera le balayage et l'élévation du cylindre des gaz imbrûlés, à condition qu'elle atteigne la chambre combustion avant que la soupape ne se referme. C'est la raison pour laquelle les d'échappement doivent absolument 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 diamètre des tubes qui 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 lignes tuning sont toujours plus grosses que celles d'origine, et peuvent prétendre amener de la puissance (précisément entre deux et cinq chevaux 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 quatre cylindres en ligne, par exemple, on constate que le branchement idéal est 1-3 puis 4-2, mais ce choix peut s'avérer problématique pour conserver une même longueur de tubes (contorsions 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. À l'heure actuelle, les études acoustiques menées par les constructeurs permettent de concevoir des terminaux sophistiqués, associant souvent détente et résonateur en un seul boîtier, répondant le mieux possible au compromis bruit/performance/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 indu dans le programme d'une 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 par rapport à la pièce d'origine. Un élément non négligeable sur les voitures destinées à la compétition...
LE TUNING
Dans le cas d'un échappement tuning, le compromis qui caractérise le cahier des charges du produit est différent de celui d'un produit de première monte. L'objectif est en effet non pas d'optimiser le prix et la consommation dans le respect des normes de bruit et de pollution, mais plutôt d'obtenir le plus de puissance et de couple possible, quitte à produire sensiblement plus de bruit que la législation ne l'autorise et en n'hésitant pas à utiliser des matériaux sensiblement plus chers, mais plus efficaces que ceux d'un pot" de base". Comment procède un préparateur lorsqu'il cherche à mettre au point un pot plus efficace que celui d'origine? En général, le travail se scinde en deux parties, suivant qu'il s'agit de concevoir une ligne complète ou simplement sur terminal. Passons tout de suite sur la question du terminal seul, en affirmant, une bonne fois pour toute, que le changement d'un silencieux seul n'amène, dans 99,99% des cas, absolument aucun gain de puissance ou de couple sensible (c'est-à-dire susceptible d'amener une baisse du chrono sur un tour de circuit exécuté par un pilote régulier). Les seuls effets à attendre du changement du terminal seul étant d'ordre esthétiques et sonores, ce qui est déjà tout à fait appréciable.

LES LIGNES
Dans le cas d'une ligne complète, le travail est différent. Car chaque tronçon de l'échappement peut être retravaillé en vue d'une optimisation du passage des gaz. Ainsi, les raccords entre le collecteur et la culasse peuvent être soignés au petit poil, pour correspondre très exactement l'un en face de l'autre, ce qui n'est pour ainsi dire jamais le cas avec un collecteur de série. Les matériaux utilisés peuvent, en outre, permettre d'obtenir un état de surface de meilleure qualité. Un collecteur en fonderie n'aura jamais le fini parfaitement lisse d'un tube en inox. Quant au titane, il permet, en plus, de gagner quelques centaines de grammes (mais à quel prix hélas)... A noter que les puristes jouent même sur la qualité des soudures entre les sections de tubes, certaines techniques permettant d'obtenir un cordon en relief uniquement sur la partie extérieure du tube, évitant de créer un bourrelet à l'intérieur, qui freinerait les gaz et perturberait la couche limite, mais on confine là au grand art. Nous pourrions encore vous parler des pots dits " soufflés " et de bien d'autres méthodes, mais l'essentiel est de retenir que la conception d'un échappement représente, sans aucun doute, l'une des opérations les plus complexes qui soit... Autre problème rencontré par les préparateurs ces dernières années: l'intégration des catalyseurs dans l'optimisation de l'échappement.