Pourquoi les V8 peuvent-ils avoir des sonorités différentes ?

Je vous ai demandé il y a quelques jours d’écouter deux sons de moteurs et de deviner de quelles voitures il s’agissait : la première était la Mercedes-Benz C63 AMG, la seconde la Ferrari 458 Italia.

Les deux sont équipées d’un moteur V8 mais leurs bruits sont pourtant très différents. On peut d’ailleurs facilement comparer les moteurs AMG aux V8 américains, à la sonorité « irrégulière » et « brute ». Les V8 italiens ont quant à eux un son beaucoup plus « propre » et « mélodieux ».

Petit rappel qui vous servira à comprendre ce que je raconte par la suite.

Comme on l’a vu précédemment un cycle moteur (admission – compression – combustion/détente – échappement) se déroule sur deux tours vilebrequin, soit 720°. Sur un moteur multi-cylindres, pour que le couple moteur délivré soit le plus régulier possible, il faut que les combustions soient espacées d’une même durée.On a donc :
– pour un moteur 3 cylindres une combustion tous les 720/3= 240°
– pour un moteur 4 cylindres une combustion tous les 720/4= 180°
– pour un moteur 8 cylindres une combustion tous les 720/8= 90°

Des vilebrequins différents

  • les vilebrequins dits à plat : les manetons se trouvent dans un même plan

Cliquez sur l’image pour voir l’animation du vilebrequin à plat

  • les vilebrequins dits en croix

Cliquez sur l’image pour voir l’animation du vilebrequin en croix

Une histoire d’équilibrage

Vous savez sans doute qu’un moteur, par le mouvement de ses parties mobiles entraîne des efforts et des couples qu’il est nécessaire d’équilibrer, que ce soit pour la fiabilité du moteur mais également pour le confort.

L’équilibrage d’un moteur se divise en deux parties :

– l’équilibrage des masses rotatives (manetons du vilebrequin)

– l’équilibrage des masses alternatives (pistons + bielles)

Les efforts et les couples à équilibrer sont résumés sur le schéma ci-dessous :

La grosse différence entre un V8 avec un vilebrequin à plat et un V8  avec un vilebrequin en croix est la présence d’un effort de pilon d’ordre 2 (c’est à dire qu’il varie deux fois par tour de vilebrequin) pour le moteur à plat. Cet effort n’est pas équilibrable en agissant uniquement sur le vilebrequin.

Le déséquilibre d’un V8 avec un vilebrequin à plat entraîne donc des vibrations qu’il est important de prendre en compte lors de la conception et qui peuvent être dommageables au moteur mais également au véhicule.

Un V8 avec un vilebrequin en croix est quant à lui bien équilibré.

L’avantage d’un V8 à plat est d’avoir une masse plus faible (le V8 en croix est certes bien équilibré, mais nécessite pour cela l’intégration de « gros » contre-poids). Qui dit masse plus faible dit inertie moins élevé : les V8 à plat sont donc plus enclins à prendre des tours et les changements de régime se font plus rapidement.

L’allumage

On a vu précédemment que pour un V8, on doit avoir une combustion tous les 90°.  L’animation au dessus et le schéma ci-dessous permettent de comprendre la chose : en tout, il y a 8 façons d’organiser l’ordre d’allumage tout en alternant entre les deux bancs de quatre cylindres : G – D – G – D – G – D – G – D

Pour le V8 en croix, qu’en est il ?

Ce n’est ici pas la même : la géométrie du vilebrequin ne permet pas d’avoir des allumages qui alternent entre les deux banc de quatre cylindres. Jetez un oeil au schéma ci-dessous :

Comme on veut un allumage tous les 90°, on n’a pas le choix, on doit au minimum allumer à la suite des cylindres qui se trouvent sur le même banc de 4 cylindres et ceci pour chaque banc.

Si je reprends les 4 ordres d’allumages possibles pour le vilebrequin en croix ci-dessus (ceux en rouge ont 4 cylindres qui s’allument à la suite sur un même banc de 4 cylindres dont on n’y pense même pas) on a donc :

G – D – D – G – D – G – G – D

G – D – G – G – D – G – D- D

G – D – G – D – D – G – D – G

G – G – D – G – D – D– G – D

avec en vert les cylindres qui s’allument à la suite sur un même banc de 4 cylindres.

Influence de l’ordre d’allumage sur la pression d’échappement (et donc la sonorité)

Une étude a été menée avec un logiciel de simulation dans le but de comparer les fonctionnements d’un V8 avec un vilebrequin à plat avec celui d’un V8 avec un vilebrequin en croix.

Les ordres d’allumage sont les suivants :

– vilebrequin à plat : 1 – 4 – 5 – 2 – 7 – 6 – 3 – 8

– vilebrequin en croix : 1 – 8 – 4 – 3 – 6 – 5 – 7 – 2

Les graphiques ci-dessous donnent l’évolution de la pression d’échappement pour chaque banc et chaque moteur.

Que peut-on lire sur ce graphique ?

Pour le vilebrequin à plat : pour chaque banc, les pulsations de pression ont la même amplitude (environ 1,25 bar) et sont déphasées de 180°. Le fonctionnement d’un banc de 4 cylindres correspond vraiment au fonctionnement d’un moteur 4 cylindres « traditionnel » (avec allumage 1 – 3 – 4 -2). Entre les deux bancs, le signal de pression est déphasé de 90°. La moyenne de la pression échappement est représentée en pointillé rouge. Elle est constante (environ 1,15 bar).

Pour le vilebrequin en croix : les pulsations de pression n’ont pas la même amplitude (entre 1,2 et 1,3 bar) et sont déphasées de 90° ou 180°, en fonction du moment où on se trouve dans le cycle. Explication : lorsque deux cylindres sont allumés séquentiellement d’un même côté, la pression d’échappement du deuxième cylindre « s’ajoute » à celle du premier (par exemple les cylindres 7 et 5 ou les cylindres 8 et 4). Entre les deux bancs le signal de pression est déphasé de 360°. La moyenne de la pression échappement est représentée en pointillé bleu. Elle n’est pas constante et oscile entre 1,075 et 1,225 bar.

C’est ces variations d’amplitude de pression d’échappement qui font qu’un V8 avec un vilebrequin en croix à une sonorité si particulière et irrégulière.

Le V8 avec un vilebrequin à plat a quant à lui une sonorité parfaitement régulière et qui pourrait être comparée à celle de deux moteurs 4 cylindres qui fonctionnent en décalé.

On comprend donc bien que la Mercedes-Benz C63 AMG est équipée d’un vilebrequin en croix et la 458 Italia d’un vilebrequin à plat :

Influence de l’ordre d’allumage sur le remplissage en air

Ces cylindres qui sont allumés séquentiellement sur un même banc n’ont pas uniquement pour conséquence de générer  un bruit moteur particulier : le remplissage en air du moteur est également impacté.

Je m’explique, vous avez ci-dessous trois graphes qui représentent, pour un cylindre, les lois de levées de soupape (admission en bleu et échappement en rouge), l’évolution des différentes pression (admission, cylindre et échappement) et les débits de gaz.

Lorsque la phase d’échappement a lieu, on a bien un débit d’échappement positif qui permet d’évacuer les gaz brûlés présents dans le cylindre vers l’échappement. A la fin de la phase d’échappement, la soupape d’admission commence à s’ouvrir : c’est ce qu’on appelle la phase de croisement. A cet instant, la pression d’admission est supérieure à la pression d’échappement : l’air permet donc d’évacuer les gaz brûlés restant dans la chambre. Cette opération est bénéfique puisque plus on évacue les gaz brûlés, plus on pourra enfermer d’air donc plus on pourra brûler de carburant donc plus on pourra générer de couple.

Prenons maintenant comme exemple un autre cylindre (par exemple le cylindre 5 dont l’allumage a lieu juste avant celui du cylindre 7). Si l’on regarde le débit à l’échappement on note qu’il est positif au début de l’ouverture de la soupape. Il devient ensuite négatif, ce qui veut dire que des gaz qui étaient dans l’échappement reviennent dans le cylindre. Ce pic négatif est généré par l’ouverture de la soupape d’échappement du cylindre 7. Ce n’est pas tout puisque pendant la phase de croisement, on note que le débit d’admission est négatif : une partie des gaz d’échappement remontent dans l’admission et seront réadmis dans le cylindre une fois que la soupape d’échappement sera fermée. C’est mauvais pour le remplissage en air.

Les courbes ci-dessous montrent l’évolution du rendement volumétrique en fonction du régime moteur pour les différents cylindres. Ne faites pas attention à la numérotation des cylindres, l’intérêt ici est juste de constater l’écart. Le rendement volumétrique correspond au rapport entre la masse d’air enfermée dans le cylindre sur la masse d’air théoriquement enfermable. S’il est égal à 0, ça veut dire qu’on n’a pas enfermé d’air, s’il est égal à 1, ça veut dire qu’on a enfermé le maximum dans les conditions atmosphériques. Il peut être supérieur à 1 lorsqu’on utilise de la suralimentation.

On note qu’à certains régimes, on a des écarts allant jusqu’à 0,15 : c’est une perte de couple mais aussi une source d’acyclisme.

Il existe des solutions pour réduire cet effet mais je pense que l’article est déjà bien assez long 😉

Le V8 avec un vilebrequin à plat ne rencontre pas les mêmes problèmes puisque que les allumages ont lieu successivement sur chaque banc. Il n’y a donc pas de risque de perturbation d’un cylindre par un autre.

Le bilan

  • Un V8 avec un vilebrequin à plat c’est :

– des vibrations à gérer (l’utilisation de deux arbres d’équilibrages est possible mais annule le point positif suivant).

– un vilebrequin léger qui autorise donc des régimes élevés et des variations de régimes rapides (peu d’inertie)

– une sonorité « propre » et « régulière »

– un remplissage en air des cylindres optimal

  • Un V8 avec un vilebrequin en croix c’est :

– pas de vibrations (on trouvera donc plus facilement des moteurs avec des cylindrées élevées)

– un vilebrequin plus lourd qui limitera les régimes et le temps de réponse du moteur

– une sonorité irrégulière

– un remplissage en air perturbé si un travail sur l’échappement n’est pas mené

Les V8 les plus répandus sont équipés de vilebrequin à croix. Ils proposent un excellent confort d’utilisation et peuvent être associés à de fortes cylindrées.

Les V8 avec un vilebrequin en plat sont, par leur nature « vibrante »  sont quant à eux réservés aux véhicules de compétition ou à des marchés de niche.

Alors, V8 avec vilebrequin en croix ou à plat pour la TVR Cerbera 4.2, la Ferrari 288 GTO, la Ford GT40, l’Aston Martin V8 Vantage, la Mustang, la F1… ?

Crédits images et animations :

– animations des moteurs en 3D : http://asthalis.free.fr/crea_moteurs3d_video.html

– images des ordres d’allumage sur les deux types de moteur : http://craig.backfire.ca/pages/autos/v8-engines#second

– résultats de calcul – comparaison des deux moteurs : http://www.gtisoft.com/upload/FEV_V8-Breathing.pdf

– image de une : www.seriouswheels.com

45 Comments

  • Lutilex

    Aston : en croix
    GT40 : en croix
    Ferrari : à plat
    TVR : à plat
    Mustang : en croix
    F1 : à plat

  • mwouais

    Une fois encore : merci
    Tu fais un beau boulot 😉

    de plus les graphes mettent bien en lumière (d’échappement, ah ah) le problème de recirculation (remplissage/contrepressions) et font le lien avec ton article twin scroll (euh ! pas sur chaque banc d’un V8 plat alors)

    Pour info : la seconde série de graphiques choisis sur un moteur neuf ou usagé ?
    Et est-ce un problème « d’usure » sur le cylindre 2 (niveau cames/soupape … moteur usagé ?) ou réellement un problème de conception et d’interaction ondulatoire de flux/pressions dans les conduits d’échappement/admission ? – ce qui a l’air le cas quant on voit la réaction anormale du cyl2 qu’à certaines fréquences (dommage à 3500trs/min = régime usuel hors ‘péniches’ USA)

    Enfin, cela doit compliquer la tâche des désactivations partielles de cylindres en cours sur les V8 croix ou ‘utilisent’-on leur faiblesse pour l’annihiler par la désactivation justement ?

    Souvenir : à l’époque, on a mis l’échec partiel du V8 Lotus (918) à sa configuration plate et son bruit peu émoustillant ce qui est étonnant quant on connait les recherches en acoustiques de Lotus.

    • Merci ! Ca va tu peux pas te permettre de faire des blagues de ce genre sur ce blog 😉

      A priori c’est une simulation d’un moteur neuf et c’est réellement un problème d’interaction entre les les cylindres. Et comme tu le soulignes, le régime a, comme pour toute question d’acoustique, un effet très important. Il existe cependant des façons de limiter cet effet : j’en parlerai peut-être un jour mais tu peux jeter un oeil sur la façon dont sont « cablés » les conduits d’échappement d’une GT40 ( http://media.caranddriver.com/images/media/257038/superformance-gt40-mkii-70-liter-windsor-v-8-engine-photo-257042-s-1280×782.jpg ). Il y a aussi des lignes d’échappement en X ou en H. J’ai regardé les grandes lignes, mais sans approfondir. Il serait intéressant d’y revenir plus tard.

      Pour la désactivation, je ne sais pas exactement comment sont gérées les choses mais il semblerait intéressant de sélectionner les « bons » cylindres.

  • remino

    Aston : en croix
    Ford : en croix
    GTO : à plat
    TVR : en croix (ça ratatouille au démarage)
    MUSTANG : en croix
    F1 : à plat

  • remino

    Comme d’hab, excellent article!
    Comme d’hab, j’ai une question!
    – Est ce que la position du moteur (à plat, transversal, longitudinal) influence le type de villebrequin?
    – Tous les exemples de voitures sont des propulsions : certes bcp de voiture de sport sont des propulsions, mais est ce un hasard ou y-a-t-il un lien entre type de villbrequin et transmission??
    Encore merci!

    • Merci ! Pour moi, il n’y a pas de lien direct entre la position d’un moteur (même s’il est vrai qu’on trouve beaucoup plus de V8 longi) et son type de vilebrequin.
      Idem pour la transmission.
      Ce qui sort sur le vilebrequin est identique d’un moteur à un autre mais il est vrai que l’implantation d’un V8 avec vilebrequin à plat ne se fait sûrement pas dans les mêmes conditions qu’avec un vilebrequin en croix (vibrations à gérer)

  • Lutilex

    @remino
    Je ne suis pas expert loin de la, mais je ne connaît aucune voiture équipée d’un V8 et qui soit une traction et toutes celles présentées plus haut sont des propulsions mais avec des vilebrequins différents.

  • remino

    @Lutlex, je ne parle pas de traction mais de 4RM!
    De plus, tu as les propulsions à moteur avant et celles à moteur central ou arrière!

  • Christian

    Bonjour, juste une précision pour rebondir sur la question des voitures équipées de moteurs v8 en traction; Cadillac proposait des modèles avec un v8 de 8 litres 2 et une boite auto entraînant les roues avant, oldsmobile également commercialisait la toronado dans le même esprit … 😉

  • asfiabe

    tout les moteur peuvent- avoir des sonorités différentes même un L4

  • asfiabe

    oui en detaille même !

  • Ah mais là je dis bravo !!! C’est complet, intéressant et compréhensible, sur un sujet pas forcement à la porté de tous. Châpeau. je reviendrai

  • nicanami

    Excellent ! Mais j’avoue que j’ai laché l’explication sur « un effort de pilon d’ordre 2 ». Bref je comprends pas d’ou vient la vibration. Y’a moyen de l’expliquer avec des mots pour quelqu’un qui bavardait avec sa voisine plutot que d’ecouter en cours de physique ?

  • nicanami

    Désolé, encore un autre truc qui m’échappe : « c’est ce qu’on appelle la phase de croisement. A cet instant, la pression d’admission est supérieure à la pression d’échappement « . Pourquoi la pression d’admission serait plus élevée (alors que le piston pousse au lieu d’aspirer)? C’est dans le cas d’un turbo ? C’est a cause de « l’élan » de l’aspiration d’avant ?

    • Ca peut également être le cas pour un moteur atmosphérique quand on fonctionne à pleine charge (papillon ouvert). Les lignes d’admission et d’échappement sont parcourues par des ondes de pression qui vont et qui viennent et qui doivent être maitrisées pour tirer le maximum du moteur. En gros, si les ondes sont bien phasées, on peut avoir la pression d’admission > la pression d’échappement. Ca peut être une surpression à l’admission ou alors une dépression à l’échappement.

      Pour un moteur turbo, on se trouve en effet plus « naturellement » dans ce cas de fonctionnement – au moins pour les faibles régimes.

  • Olivier

    Bonjour,
    C’est très intéressant et en plus amusant de pouvoir reconnaitre l’architecture d’un V8 à l’oreille !
    Par contre, j’ai un moteur quatre cylindre avec « double arbre à came en tête », ça veut donc dire quej’ai deux arbres à cames ?!
    Aurai-je aussi la chance de vous lire sur des sujets moins « exotiques », comme par exemple un article complet sur le 2.0D des X-type… 🙂
    Encore merci et bravo pour votre travail !

    • Bonjour et merci pour votre commentaire !
      Double arbre à cames en tête signifie bien que vous avez deux arbres à cames : un arbre à cames pour les soupapes d’admission et un autre pour les soupapes d’échappement par exemple.

    • Je note votre proposition pour le futur 😉

  • Bezzeta

    La phase d’allumage de votre exemple me parez impossible… Quand vous voulez allumer le cylindre 4, il est au point mort bas…

  • Olivier

    Youpi ! Ben est revenu !
    Est-ce que la pause est finie ?
    Je sais que tenir un tel site prend beaucoup de temps, mais si vous en avez, je vous lirai toujours avec plaisir et attention.
    A bientôt

    • Ce n’est pas prévu pour tout de suite, mais je vous invite à suivre blogautomobile.fr , je devrais y publier 1 ou 2 articles d’ici peu. Je posterai un lien ici dans tous les cas 😉

  • Romain

    Bonjour,

    Il me semble que les flat 4 cyl de subaru font un bruit de V8 en croix.
    C’est donc qu’il y aurait un des bancs qui a deux cycles preques phasés qui échappent avec peu d’écart et ce perturbent?

  • Morgan

    Pour la subaru, ce bruit d’échappement viens des longueur des tuyaux. Les longueurs des tuyaux d’échappement sont nettement plus importante pour les 2 cylindres de droite par rapport aux tuyaux des 2 autre cylindre. D’où le fait d’avoir ce bruit qui « tourne pas rond » sur les bas régime.

  • Pascal BAVENT

    Salut, je suis un vieux dur d’oreilles, 40 ans dans une usine de moteurs ça tue donc pour le test audio c’est mort ! Par contre au milieu de choses intéressantes je trouve des manques dans les firing orders : pour avoir dernièrement tripoté un 425ci et un 472ci Cadillac je dois préciser que leur « firing order » 15634278 n’est pas dans vos tableaux: bizare , il y a eu un certain nombre de fabriqués!!! il ne faut pas oublier le ou plutôt les arbres à cames et le sens de rotation du moteur . Un moteur est un ensemble dont tous les éléments ont une fonction pour un résultat souhaité par son fabricant: changez « uniquement » AAC et culasse sur n’importe quel moteur et vous n’aurez pas les mêmes résultats de puissance, couple, régime, et forcément sonorité. Il faut écouter tous les moteurs, depuis un 2CV , un Panhard, un R8G jusqu’aux moteurs de locomotives pour en apprécier la mélodie de chacun.
    Sincères salutations PB

  • Cliqueti

    Bravo pour ce post très bien documenté et parfaitement juste.
    Je suis un professionnel de l’ingénierie dans le domaine des moteurs thermiques et j’avoue avoir réutilisé partiellement ce document pour un travail de pré-étude portant sur une application moteur V8 d’un client.

    Bien cordialement.

  • Carette Gilles

    Bonjour,
    je vous félicite et vous remercie pour ce beau travail, étant moi même un ancien mécanicien et possesseur de trois V8 j’ai vraiment apprécié ce travail !!!
    j’ai un Scania R520 V8
    un Ford F-150 5.4 triton V8 de 2000 et
    un Ford F-450 7.3 powerstrok de 1999
    c’est bête a dire mais pour moi, le son d’un V8 c’est comme un traitement thérapeutique , ça permet de diminuer mon acouphène que je traîne depuis quelques années car il faut savoir qu’on sais diminuer les acouphènes avec des bruits blancs ( eau qui coule, vent qui souffle, pluie, chute d’eau, …) et le son du V8 en fait partie pour ce qui me concerne !

  • ya juste un probleme dans cette explication qui ne me convien pas c est que la nouvelle mustang 2016 gt 350 et gt 350r est equipe d un v8 a vilbrequin a plat et elle ne fait pas le bruit similaire d une ferrari elle fait plus le bruit d une audi r8

  • Serge

    Bonjour et merci pour cette expliquation fort interressante… qui m’amene a une question :
    – Ford Mustang 2011 : V8 5;0l, vilebrequin en croix
    – Corvette C6 Z06 : V8 7.0l, vilbrequin en croix

    Le premier sonne comme une muscle car. Le second sonne… heu… tres tres differemment :

    Mustang :
    https://www.youtube.com/watch?v=xL-vYOUZi88

    Z06 :
    https://www.youtube.com/watch?v=gEd9LVtl8cM

    Comment expliquer une telle difference de sonorite a partir d’une architecture moteur apparemment identique ? (cote ligne d’echappement, h-pipe dans les 2 cas)

  • jak

    pour résumer
    les américain c’est en croix
    les européens c’est a plat

  • matt

    jak, mercedes, jaquar, etc sont les parfait contre exemple avec ses V8 et il doit y avoir pas mal d’autres exemples.
    Ferrari qu’une marque, attention a ne pas tout confondre, ses V8 de faible cylindré sont connus.
    L’article est très bien.
    Personnellement je préfère 1000 fois au niveau du son le vilebrequin en croix pour ses sonorités justement si grave et rauque.
    J’aime beaucoup moins les aigus ou moins grave donc aussi tout moteur V8 a vilebrequin a plat qui monte dans les tours dans les aigu, par contre je déteste les moteurs de formule 1 d’ailleurs tout moteur confondu.
    Malheureusement je n’ai pas pu avoir de V8 biturbo, trop cher a l’entretien et a la pompe(SP98 a 1.40-1.50) et avoir quelque chose de performant, j’ai failli avoir une ancienne RS6 V8 4,2 biturbo, mais la boite auto est une catastrophe au niveau fiabilité et bride la voiture d’origine et pire pour la préparation moteur que je voulais faire et boite aux rapports trop long en plus.J’avais eu aussi un petit faible pour le V8 mercedes suralimenté par compresseur car le biturbo est encore trop cher.
    J’ai un 6 cylindre en ligne qu’on dit plus noble au niveau mécanique car bien équilibré bien qu’il soit biturbo.
    Mais je préfère les gros V8 biturbo voir quadri turbo a vilebrequin en croix.
    Mon rêve un gros V8 8 litre quadri turbo a vilebrequin en croix bien préparé par exemple.
    Mais j’aime particulièrement le moteur V8 biturbo de venom hennessey(dérivé corvette), V8 biturbo 5,5 amg, etc, la liste est longue.
    C’est une affaire de gout, donc la noblesse pour moi n’est pas la ou d’autres la trouvent en atmosphérique et a vilebrequin a plat ou sur V12,V10, etc.
    Y a des 6 cylindre en ligne a plus forte cylindré(4,8 litre minimum) et turbocompressé qui peuvent avoir un son se rapprochant de ce que j’aime entendre.
    J’ai 20 ans de conduite et beaucoup de kilomètre mais aujourd’hui on ne peut plus rien faire avec une voiture même avec 150 ch avec la répression routière actuel et futur, les circuits intéressant trop loin et trop de monde, etc, c’est trop frustrant.
    Donc je vais revenir prochainement a une voiture confortable très paisible pour être peu tenter, madame perrichon et les autres ont gagné, ma passion auto est sur le point de s’évanouir a part dans un jeu vidéo.
    Avec les voitures électriques, plus de bruit grave, et avec les voitures en plus autonome, c’est mort.

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