Peu d’éléments ont un impact aussi important sur le design d’une moto que le système d’échappement. De la tête à la sortie, les formes doucement incurvées contribuent à définir certaines de nos motos préférées, mais ces formes sont loin d’être purement esthétiques.
Les gaz d’échappement contiennent une énergie utile sous forme de vitesse, et les formes lisses minimisent la perte de cette énergie. La course motrice d’un piston à plein régime commence avec des gaz de combustion à environ 1 000 psi, quelques degrés après le point mort haut. Cette pression diminue rapidement en poussant le piston vers le bas, lui transmettant ainsi de la puissance. Au moment où les soupapes ou les orifices d’échappement commencent à s’ouvrir, il ne reste plus qu’environ 100 psi de pression de combustion.
Ne pouvons-nous pas continuer à dilater ce gaz avec le piston pour obtenir toute son énergie ? Nous pourrions, mais nous ne le faisons pas parce que les soupapes d’échappement doivent commencer à s’ouvrir avant le centre inférieur, et une pression de cylindre aussi faible est utilisée plus efficacement d’une autre manière : dans un tuyau d’échappement réglé.
Tuyau d’échappement à deux temps
Les échappements à deux temps ont une forme distincte constituée de deux sections de mégaphone tournées l’une sur l’autre afin d’accorder les ondes de pression positives et négatives à la position du piston pour évacuer les gaz d’échappement et charger le mélange de carburant.
Les moteurs automobiles récupèrent de plus en plus l’énergie de l’échappement dans les turbocompresseurs, mais jusqu’à présent, la puissance sérieusement boostée par le turbo était trop soudaine pour une utilisation occasionnelle sur une moto. C’est pourquoi l’énergie des gaz d’échappement est utilisée sous forme d’ondes sonores.
Les ondes positives (pression) et négatives (aspiration), qui se déplacent dans des conduits correctement formés, peuvent être utilisées pour aider le mouvement du piston à évacuer les gaz d’échappement usés et à remplir le cylindre d’une nouvelle charge.
La règle de base de la mise en forme des tuyaux d’échappement est la suivante : partout où la section transversale du conduit augmente, une impulsion de pression d’échappement passante se dilate, rayonnant/réfléchissant ainsi une onde négative en amont. Partout où la section du conduit diminue, l’impulsion est retenue, ce qui entraîne la réflexion d’une onde positive.
Système d’échappement à quatre temps
Les systèmes d’échappement modernes à quatre temps utilisent des conceptions qui incluent des dispositifs tels que des soupapes à commande électronique pour contrôler les niveaux de bruit et régler la puissance délivrée.
Dans un système à quatre temps, lorsque les soupapes d’échappement commencent à s’ouvrir, une impulsion de pression d’échappement entre dans le collecteur de ce cylindre. Lorsqu’elle atteint un point d’élargissement du conduit – soit à l’endroit où le collecteur rejoint un plus grand collecteur, soit à l’endroit où il rejoint un mégaphone effilé – elle renvoie une onde de pression négative vers le moteur. La longueur du collecteur est choisie pour que cette onde négative arrive dans le cylindre pendant le chevauchement des soupapes, c’est-à-dire la période autour du point mort haut à la fin de la course d’échappement, lorsque les soupapes d’échappement ne sont pas encore tout à fait fermées mais que les admissions ont déjà commencé à s’ouvrir. Cette onde négative entre dans le cylindre, extrayant d’abord les gaz d’échappement inertes de la chambre de combustion au-dessus du piston, puis entrant dans le système d’admission pour que le flux d’admission commence à entrer dans le cylindre avant même que le piston ait commencé à descendre sur sa course d’admission. Cela augmente le couple en empêchant la dilution de la charge fraîche par les gaz d’échappement restants et en donnant au processus d’admission une longueur d’avance.
Étant donné que les ondes négatives et positives alternent dans le tuyau d’échappement, à un régime plus bas, ce n’est plus une onde négative qui entre dans la chambre de combustion pendant le chevauchement des soupapes. C’est une onde positive, qui renvoie les gaz d’échappement dans la chambre de combustion, à travers les soupapes d’admission et dans le système d’admission. Ceci, en diluant la charge fraîche que le piston est sur le point de recevoir, provoque une baisse du couple moteur. C’est le « point plat » que tous les constructeurs de moteurs et les coureurs connaissent bien. La nature donne, mais la nature reprend aussi.
Yoshimura Alpha T
Les systèmes d’échappement hautement réglés et exceptionnellement légers, comme ce système de compétition Yoshimura Alpha T en titane, maximisent la longueur du collecteur et le débit d’échappement pour augmenter le couple et la puissance.
Les tuyaux pour moteurs à deux temps ont un aspect complètement différent. Ils commencent par un collecteur étroit comme celui d’une moto à quatre temps, suivi d’un klaxon en forme de mégaphone. C’est alors que la différence apparaît : Après le klaxon vient une section centrale de diamètre constant – après quoi la conduite se rétrécit rapidement, comme un mégaphone inversé, jusqu’à un « tuyau d’échappement » de petit diamètre (qui peut être invisible à l’intérieur d’une forme de silencieux).
Lorsque le piston d’un moteur à deux temps, en descendant pendant sa course, commence à découvrir le grand orifice d’échappement dans la paroi du cylindre, une impulsion de pression est libérée dans le collecteur.
Lorsqu’elle atteint le pavillon en forme de mégaphone, c’est une onde négative qui est renvoyée vers le cylindre. Là, la faible pression permet d’évacuer les gaz d’échappement du cylindre et aide la charge fraîche à entrer par deux ou plusieurs orifices de transfert.
Convertisseurs catalytiques
La nécessité d’utiliser des convertisseurs catalytiques pour réduire les émissions nocives complique encore la conception des échappements des motos modernes. Cela exige un équilibre technique que l’on ne peut apprécier qu’en observant les structures internes des modèles d’échappement actuels.
Au fur et à mesure que le cylindre se remplit, une partie de la charge fraîche commence à être perdue par l’orifice d’échappement encore ouvert, mais de l’aide est en route. Dans le tuyau, l’impulsion d’échappement a traversé la section centrale du tuyau et entre maintenant dans le mégaphone inversé, réfléchissant une onde positive vers l’orifice d’échappement. Cette onde positive arrive juste à temps pour renvoyer dans le cylindre la charge fraîche qui a commencé à s’échapper par l’orifice. Dans la zone étroite du régime de puissance maximale d’un moteur à deux temps, ce processus fonctionne en fait comme un compresseur très efficace, qui donne aux moteurs à deux temps leur puissance exceptionnelle.
Le travail du concepteur du tuyau d’échappement consiste à créer une zone de couple moteur boosté suffisamment large pour que le pilote, en utilisant la boîte de vitesses, puisse maintenir le moteur dans cette zone la plupart du temps. Leurs solutions contribuent à donner aux machines que nous aimons leur poussée et leur hargne caractéristiques, et à former les belles lignes dont nous nous souvenons le plus.
