Mes cloisonement et ventilation du v6 biturbo
Publié : mer. 29 mars 2017 01:24
Salut,
Une longue prose sur le cloisonement et ventilation avec mes modifs. Prenez une bierre.
CLOISONEMENT
Le but du cloisonement est de limiter les deplacements de l'huile dans le carter pour les raisons suivantes:
- pour eviter le dejaugeage, quand la crepine se retrouve à aspirer de l'air
- pour eviter que l'huile remonte vers l'equipage mobile
- pour ameliorer le degasage de l'huile
L'huile sert à beaucoup de choses, notamment:
- lubrifier
- refroidire
- absorber les gaz issus de la combustion
- absorber l'eau de condensation et de la combustion
Afin que l'huile puisse refroidire et relacher les gaz qu'elle a absorbé (degaser) elle a besoin de passer un certain temps dans le carter. Plus ce temps est long et mieux c'est. On en conclu que plus il y a d'huile dans le carter et mieux c'est.
Le carter d'huile des V6/V8 biturbo est tres large et plat:
- ca donne une grande surface d'evaporation, degasage de l'huile rapide
- ca fait gagner de la garde au sol, on peut donc abaisser le moteur et descendre le centre de gravite de la voiture
Sur la photo les tubes en cuivre sont mes ajouts que j'explique plus bas:
Par ailleurs le carter est plus long et large que le moteur. Cela empeche l'huile de remonter les parois du moteur.
Notez que Maserati a dimensionne le carter pour que 1L corresponde à exactement 1cm de niveau.
Quand l'huile remonte les parois sous l'effet de l'acceleration elle peut non seulement toucher l'equipage mobile (choc violent avec un liquide non compressible) mais egalement obstruer les conduits qui servent a faire descendre l'huile des culasses et des turbo.
Si l'huile des turbo ralenti sa progression elle risque de cuire et boucher les paliers.
Les conduits de retour d'huile des culasses sont larges (16mm), droits et placés de sorte que les deux sur quatre d'une culasse ne peuvent jamais etre obstrués par une remontée d'huile. De meme l'huile ne peut pas etre refoulée par le vent qui remonte vers les culasses (phenomenes frequents sur beaucoup des moteurs). Voir plus bas l'explication sur la ventilation du carter.
Le demi-carter bas du moteur integre les ailettes (scrappers en English) qui captent l'huile qui s'echappe du vilebrequin. Les memes ailettes protegent le vilo contre l'huile du carter et rigidifient le bas moteur.
Le moteur est legerement penché à l'arrière, le fond du carter (vissable) n'est pas plat pour cette raison: il est plus profond vers l'avant (25mm contre 15mm à l'arrière) car les accelerations de freinage sont plus grandes que les accelerations de reprise, cela donne davantage
de reserve d'huile lors des freinages. Pour la meme raison la crepine est placée vers l'avant du carter (comme sur la plupart des moteurs).
Jusqu'à là tout est parfait dans le V6, je ne connais pas d'autres moteurs a carter humide aussi bien penses. Mais Maserati a raté le cloisonement du carter.
Il y a eu deux evolutions de cloisonement sur les v6.
Le premier etait rudimentaire pour un moteur de ce niveau. Il etait sensé empecher l'huile de bouger trop et suivait les cloisons présentent dans le fond.
Les gens qui faisaient du circuit avec les premieres biturbo avaient vite constaté que ca dejaugeait dans les virages.
Le second, celui des Ghibli/QP4 (en fait deja présent sur la Racing et 222 4v), etait mieux. Il contenait une cloison supplementaire ronde autour de la crepine et un ecran plat de dessus. La cloison est sensée concentrer l'huile autour de la crepine, l'ecran empeche les projections d'huile vers el vilebrequin.
L'huile chaude est presque aussi liquide que l'eau: impossible de l'empecher de passer sauf si c'est etanche. En meme temps l'huile froide est assez visceuse et lente.
Concevoir un bon cloisonnement n'est pas simple. Le mieux est de l'integrer dans le carter du moteur, ce qui evite des jonctions pas etanches. Sauf que s'il n'est pas demontable il gene le re/demontage du moteur.
Si le cloisonement est demontable alors on se rend vite compte qu'un carter n'est jamais de forme simple. C'est une piece en fonte (d'alu ou d'acier) avec des moulures, des aretes etc. Les jonctions parfaites sont impossibles.
L'autre question qui se pose: si le cloisonnement empeche l'huile de s'eloigner de la crepine alors il l'empeche aussi de revenir. Donc apres un long virage a grande vitesse toute huile aura eu le temps de partir contre une paroi et il lui faudra du temps pour revenir. Alors qu'on voudrait que l'huile revienne rapidement. Pour cette raison on trouve des cloisonements avec des trappes, des portes à un sens.
De ce point de vu le cloisonement de Ghibli presente un probleme: la cloison autour de la crepine l'isole un peu trop du reste du carter. Il ne reste que 5mm entre le bas du cylindre et le fond du carter, les deux ouvertures qui y sont visibles ne sont pas enormes et celle de devant est presque entierement masquée par le cloisonement du fond du carter.
Pour resumer il faudrait créer des reservoirs d'huile partout dans le carter qui ne la relachent que dans certaines conditions. Ce qui suppose un certain volume mort d'huile qui ne sert que par moments. Donc il faudrait davantage d'huile, donc un carter plus grand ce qui amplifie tous les problemes de tranquilisation de l'huile et de hauteur du carter.
Meme si la plupart de vrais moteurs de course sont à carter sec il y en a de plus en plus à carter humide (car budget limité ou modifications interdites). Mais impossible de trouver des infos sur leurs cloisonements.
J'ai passé beaucoup de temps à reflechir sur le cloisonement du v6 (et par extension v8, le meme carter sur tous les v6 biturbo/Ghibli/QP4/3200).
J'utilise le fond (le couvercle) du carter comme reservoir d'huile etanche sur les bords. Une plaque d'acier (un ecran) est inserrée entre
le carter et le fond. L'huile ne peut s'echapper que par la partie centrale de l'ecran.
Le fond contient 1.6L.
Lors des accelerations une partie de l'huile est emprisonnée sous l'ecran, alors que le reste de l'huile grimpe les parois. A la fin de l'acceleration cet huile est immediatemet disponible et revient vers la crepine grace au cloisonement d'origine du fond. Le reste de l'huile jusqu'à la plaquée contre une des parois au-dessus de l'ecran est dirigé par les cloisons horisontales vers la crepine à travers les fentes tout autour de la crepine.
Ce systeme pose quelques problemes, notamment:
- une partie des 1.6L contenus dans le fond est un volume mort. Il faut donc augmenter le volume totale de mettons 1L
- des poches d'air se forment sous l'ecran puisque l'air ne peut pas s'echapper. Mais elles n'irons jamais jusqu'à la crepine, les fentes qui entourent la crepine les feront s'echapper vers le haut
- necessite deux joints de carter. Cela diminue legerement la garde au sol et ca coute un peu.
J'ai egalement prolongé les conduits de descente d'huile:
- des culasses pour que l'huile coule directement sous l'ecran au lieu de s'eparpiller dans le carter. Cela empeche egalement la circulation de l'air dans ces conduits qui pourrait ralentir la descente
- des turbo pour que dans les virages ces conduits restent decouverts. Cette idée n'est pas de moi, on la trouve sur les Nissan GTR.
Les tubes de retour des turbo ne sont pas sertis dans le bloc, ils s'enlevent, ils sont en alu. Ici avec un tube de 16mm inserré dedans
VENTILATION DU CARTER
Ventilation du carter est un probleme souvent mal resolu dans les moteurs italiens. Peut etre parce que pendant longtemps ils n'etaient pas distribués en Amerique du Nord avec ses normes antipollution strictes.
La combustion produit des pressions elevées dans les chambres à combustion. Une partie de cette pression s'echappe au lieu d'effectuer
le travail utile:
- les segments des pistons ne sont pas etanches a 100%. Une partie des gaz comprimmés s'echappe sous les pistons
- les guides de soupapes avec leur joints ne sont pas etanches a 100%. Une partie des gaz d'admission et d'echappement s'echappe dans les culasses
Sur les moteurs à admission forcée ces pressions sont particulierement élevées.
Si on laisse le carter en surpression les joints ne tiennent pas et ca pisse l'huile de partout.
Jusqu'aux annees 60 cette surpression etait ventillée à l'air libre.
Malheureusement ces gaz contiennent de l'huile en suspension, des imbrullés d'hydrocarbures et tous les produits de la combustion. A l'epoque la ventillation à l'air representait 1/3 de la pollution totale produite par les moteurs a 4 temps.
Le recyclage des gaz du carter a ete rendue obligatoire aux US dans les annees 60.
PCV (Positive Crankcase Ventilation) maitrisée consiste à renvoyer la surpression du carter dans l'admission. Comme l'interieur du moteur baigne dans un épais brouillard d'huile il est interessant de recuperer cette huile avant d'envoyer les gaz dans le fourneau. C'est à cela que servent les separateurs des vapeurs d'huile (qu'on ne trouve pas sur les biturbo).
J'ai l'impression que la methode de design la plus commune consiste à ne pas se preoccuper du PCV jusqu'à ce que le moteur soit fini, et ensuite à essayer de coller le PCV dans les culasses. Puisque l'air chaud monte.
Ca pose un probleme: pendant que l'air monte vers les sorties de ventilation l'huile essaye de descendre par les memes conduits. Et n'y arrive pas toujours quand les conduits sont etroits, coudés, pas bien placés (tout le temps noyés).
Les moteurs bien concus ventillent par le carter et/ou ont des conduits de descente de l'huile bien concus.
Comme je l'ai deja dit les v6/v8 biturbo ont les conduits de descente d'huile tres bien concus qui permettent à l'air de monter et à l'huile
de descendre sans se gener.
Sur les 18v la ventilation du carter etait integrée dans les culasses, un systeme ingenieux utilisant les AAC comme separateurs centrifuge de l'huile. C'est pour ca que les AAC ont un large bol au niveau de la sortie de ventilation. Par contre je pense que quelques details sont perfectibles au niveau des bols, pas grand chose.
En revanche les culasses 24v reprennent un systeme traditionnel qui à mon avis est totalement inutile avec les modifs que Maserati a faites au bas moteur.
Sur les 24v les culasses n'ont pas de bouchons de remplissage d'huile. Maserati a preferé mettre à la place un systeme rudimentaire et totalement raté de ventilation avec un separateur primitif de vapeurs d'huile et une sortie de ventilation (reniflard).
La plaque d'alu sur l'envers du couvre culasse c'est le separateur d'huile. Cela fonctionne ... mais pas. On trouve des systemes bien plus sophistiqués sur un tas de culasses et meme là ca ne fonctionne pas toujours. Parce que l'interieur du moteur est à une temperature uniforme et il est difficile de condenser sans creer de turbulences. Sauf que créer les turbulences ca coute en pression (le carter restera en surpression) et ca prend de la place. Ici la plaque ne condense pas grand chose et pas mal d'huile part dans l'admission (on la retrouve dans le filtre à air). Quant au reniflard il est tout simplement trop etroit pour un moteur turbo.
Et pourtant en condamnant le remplissage d'huile par les culasses Maserati avait fait une modif geniale: ils avaient elargi le conduit de la jauge de niveau jusqu'à 27mm. Le conduit prend nassaince dans le demi-carter bas juste au dessus de l'huile. Marqué en rouge sur la photo.
Ce n'est rien d'autre qu'une cheminée de ventilation d'un diametre inespéré: meme si l'huile arrive à remonter le conduit il restera toujours de la place pour l'air qui monte. Autre probleme classique qu'on evite: les conduits de ventilation etroits finissent par se boucher par la mayo qui est due à la condensation de l'eau lors des arrets du moteur.
Ici il suffit de remplacer le bouchon de remplissage par un bouchon avec une derivation vers le filtre à air. Et inserrer quelques bouts de toles dans la longue section droite du conduit pour augmenter la surface de contact avec l'huile. La cheminée etant à l'air libre sa temperature est inferieure à celle de l'huile chaude, le brouillard d'huile va se condenser et retourner dans le carter.
Il ne reste qu'un seul problème: lors d'un freinage le niveau de l'huile peut atteindre l'entrée de la cheminée l'obstruer.
La solution est la meme que pour les conduits de descente d'huile: une entrée d'air déportée vers le centre du carter pour qu'elle soit découverte quand la cheminée est bouchée.
C'est un simple conduit inserré dans la cheminée. La section de passage qui reste dans la cheminée est largement suffisante.
Le conduit rajouté monte assez haut, tres peu de chances que l'huile du carter grimpe jusqu'à là.
Une longue prose sur le cloisonement et ventilation avec mes modifs. Prenez une bierre.
CLOISONEMENT
Le but du cloisonement est de limiter les deplacements de l'huile dans le carter pour les raisons suivantes:
- pour eviter le dejaugeage, quand la crepine se retrouve à aspirer de l'air
- pour eviter que l'huile remonte vers l'equipage mobile
- pour ameliorer le degasage de l'huile
L'huile sert à beaucoup de choses, notamment:
- lubrifier
- refroidire
- absorber les gaz issus de la combustion
- absorber l'eau de condensation et de la combustion
Afin que l'huile puisse refroidire et relacher les gaz qu'elle a absorbé (degaser) elle a besoin de passer un certain temps dans le carter. Plus ce temps est long et mieux c'est. On en conclu que plus il y a d'huile dans le carter et mieux c'est.
Le carter d'huile des V6/V8 biturbo est tres large et plat:
- ca donne une grande surface d'evaporation, degasage de l'huile rapide
- ca fait gagner de la garde au sol, on peut donc abaisser le moteur et descendre le centre de gravite de la voiture
Sur la photo les tubes en cuivre sont mes ajouts que j'explique plus bas:
Par ailleurs le carter est plus long et large que le moteur. Cela empeche l'huile de remonter les parois du moteur.
Notez que Maserati a dimensionne le carter pour que 1L corresponde à exactement 1cm de niveau.
Quand l'huile remonte les parois sous l'effet de l'acceleration elle peut non seulement toucher l'equipage mobile (choc violent avec un liquide non compressible) mais egalement obstruer les conduits qui servent a faire descendre l'huile des culasses et des turbo.
Si l'huile des turbo ralenti sa progression elle risque de cuire et boucher les paliers.
Les conduits de retour d'huile des culasses sont larges (16mm), droits et placés de sorte que les deux sur quatre d'une culasse ne peuvent jamais etre obstrués par une remontée d'huile. De meme l'huile ne peut pas etre refoulée par le vent qui remonte vers les culasses (phenomenes frequents sur beaucoup des moteurs). Voir plus bas l'explication sur la ventilation du carter.
Le demi-carter bas du moteur integre les ailettes (scrappers en English) qui captent l'huile qui s'echappe du vilebrequin. Les memes ailettes protegent le vilo contre l'huile du carter et rigidifient le bas moteur.
Le moteur est legerement penché à l'arrière, le fond du carter (vissable) n'est pas plat pour cette raison: il est plus profond vers l'avant (25mm contre 15mm à l'arrière) car les accelerations de freinage sont plus grandes que les accelerations de reprise, cela donne davantage
de reserve d'huile lors des freinages. Pour la meme raison la crepine est placée vers l'avant du carter (comme sur la plupart des moteurs).
Jusqu'à là tout est parfait dans le V6, je ne connais pas d'autres moteurs a carter humide aussi bien penses. Mais Maserati a raté le cloisonement du carter.
Il y a eu deux evolutions de cloisonement sur les v6.
Le premier etait rudimentaire pour un moteur de ce niveau. Il etait sensé empecher l'huile de bouger trop et suivait les cloisons présentent dans le fond.
Les gens qui faisaient du circuit avec les premieres biturbo avaient vite constaté que ca dejaugeait dans les virages.
Le second, celui des Ghibli/QP4 (en fait deja présent sur la Racing et 222 4v), etait mieux. Il contenait une cloison supplementaire ronde autour de la crepine et un ecran plat de dessus. La cloison est sensée concentrer l'huile autour de la crepine, l'ecran empeche les projections d'huile vers el vilebrequin.
L'huile chaude est presque aussi liquide que l'eau: impossible de l'empecher de passer sauf si c'est etanche. En meme temps l'huile froide est assez visceuse et lente.
Concevoir un bon cloisonnement n'est pas simple. Le mieux est de l'integrer dans le carter du moteur, ce qui evite des jonctions pas etanches. Sauf que s'il n'est pas demontable il gene le re/demontage du moteur.
Si le cloisonement est demontable alors on se rend vite compte qu'un carter n'est jamais de forme simple. C'est une piece en fonte (d'alu ou d'acier) avec des moulures, des aretes etc. Les jonctions parfaites sont impossibles.
L'autre question qui se pose: si le cloisonnement empeche l'huile de s'eloigner de la crepine alors il l'empeche aussi de revenir. Donc apres un long virage a grande vitesse toute huile aura eu le temps de partir contre une paroi et il lui faudra du temps pour revenir. Alors qu'on voudrait que l'huile revienne rapidement. Pour cette raison on trouve des cloisonements avec des trappes, des portes à un sens.
De ce point de vu le cloisonement de Ghibli presente un probleme: la cloison autour de la crepine l'isole un peu trop du reste du carter. Il ne reste que 5mm entre le bas du cylindre et le fond du carter, les deux ouvertures qui y sont visibles ne sont pas enormes et celle de devant est presque entierement masquée par le cloisonement du fond du carter.
Pour resumer il faudrait créer des reservoirs d'huile partout dans le carter qui ne la relachent que dans certaines conditions. Ce qui suppose un certain volume mort d'huile qui ne sert que par moments. Donc il faudrait davantage d'huile, donc un carter plus grand ce qui amplifie tous les problemes de tranquilisation de l'huile et de hauteur du carter.
Meme si la plupart de vrais moteurs de course sont à carter sec il y en a de plus en plus à carter humide (car budget limité ou modifications interdites). Mais impossible de trouver des infos sur leurs cloisonements.
J'ai passé beaucoup de temps à reflechir sur le cloisonement du v6 (et par extension v8, le meme carter sur tous les v6 biturbo/Ghibli/QP4/3200).
J'utilise le fond (le couvercle) du carter comme reservoir d'huile etanche sur les bords. Une plaque d'acier (un ecran) est inserrée entre
le carter et le fond. L'huile ne peut s'echapper que par la partie centrale de l'ecran.
Le fond contient 1.6L.
Lors des accelerations une partie de l'huile est emprisonnée sous l'ecran, alors que le reste de l'huile grimpe les parois. A la fin de l'acceleration cet huile est immediatemet disponible et revient vers la crepine grace au cloisonement d'origine du fond. Le reste de l'huile jusqu'à la plaquée contre une des parois au-dessus de l'ecran est dirigé par les cloisons horisontales vers la crepine à travers les fentes tout autour de la crepine.
Ce systeme pose quelques problemes, notamment:
- une partie des 1.6L contenus dans le fond est un volume mort. Il faut donc augmenter le volume totale de mettons 1L
- des poches d'air se forment sous l'ecran puisque l'air ne peut pas s'echapper. Mais elles n'irons jamais jusqu'à la crepine, les fentes qui entourent la crepine les feront s'echapper vers le haut
- necessite deux joints de carter. Cela diminue legerement la garde au sol et ca coute un peu.
J'ai egalement prolongé les conduits de descente d'huile:
- des culasses pour que l'huile coule directement sous l'ecran au lieu de s'eparpiller dans le carter. Cela empeche egalement la circulation de l'air dans ces conduits qui pourrait ralentir la descente
- des turbo pour que dans les virages ces conduits restent decouverts. Cette idée n'est pas de moi, on la trouve sur les Nissan GTR.
Les tubes de retour des turbo ne sont pas sertis dans le bloc, ils s'enlevent, ils sont en alu. Ici avec un tube de 16mm inserré dedans
VENTILATION DU CARTER
Ventilation du carter est un probleme souvent mal resolu dans les moteurs italiens. Peut etre parce que pendant longtemps ils n'etaient pas distribués en Amerique du Nord avec ses normes antipollution strictes.
La combustion produit des pressions elevées dans les chambres à combustion. Une partie de cette pression s'echappe au lieu d'effectuer
le travail utile:
- les segments des pistons ne sont pas etanches a 100%. Une partie des gaz comprimmés s'echappe sous les pistons
- les guides de soupapes avec leur joints ne sont pas etanches a 100%. Une partie des gaz d'admission et d'echappement s'echappe dans les culasses
Sur les moteurs à admission forcée ces pressions sont particulierement élevées.
Si on laisse le carter en surpression les joints ne tiennent pas et ca pisse l'huile de partout.
Jusqu'aux annees 60 cette surpression etait ventillée à l'air libre.
Malheureusement ces gaz contiennent de l'huile en suspension, des imbrullés d'hydrocarbures et tous les produits de la combustion. A l'epoque la ventillation à l'air representait 1/3 de la pollution totale produite par les moteurs a 4 temps.
Le recyclage des gaz du carter a ete rendue obligatoire aux US dans les annees 60.
PCV (Positive Crankcase Ventilation) maitrisée consiste à renvoyer la surpression du carter dans l'admission. Comme l'interieur du moteur baigne dans un épais brouillard d'huile il est interessant de recuperer cette huile avant d'envoyer les gaz dans le fourneau. C'est à cela que servent les separateurs des vapeurs d'huile (qu'on ne trouve pas sur les biturbo).
J'ai l'impression que la methode de design la plus commune consiste à ne pas se preoccuper du PCV jusqu'à ce que le moteur soit fini, et ensuite à essayer de coller le PCV dans les culasses. Puisque l'air chaud monte.
Ca pose un probleme: pendant que l'air monte vers les sorties de ventilation l'huile essaye de descendre par les memes conduits. Et n'y arrive pas toujours quand les conduits sont etroits, coudés, pas bien placés (tout le temps noyés).
Les moteurs bien concus ventillent par le carter et/ou ont des conduits de descente de l'huile bien concus.
Comme je l'ai deja dit les v6/v8 biturbo ont les conduits de descente d'huile tres bien concus qui permettent à l'air de monter et à l'huile
de descendre sans se gener.
Sur les 18v la ventilation du carter etait integrée dans les culasses, un systeme ingenieux utilisant les AAC comme separateurs centrifuge de l'huile. C'est pour ca que les AAC ont un large bol au niveau de la sortie de ventilation. Par contre je pense que quelques details sont perfectibles au niveau des bols, pas grand chose.
En revanche les culasses 24v reprennent un systeme traditionnel qui à mon avis est totalement inutile avec les modifs que Maserati a faites au bas moteur.
Sur les 24v les culasses n'ont pas de bouchons de remplissage d'huile. Maserati a preferé mettre à la place un systeme rudimentaire et totalement raté de ventilation avec un separateur primitif de vapeurs d'huile et une sortie de ventilation (reniflard).
La plaque d'alu sur l'envers du couvre culasse c'est le separateur d'huile. Cela fonctionne ... mais pas. On trouve des systemes bien plus sophistiqués sur un tas de culasses et meme là ca ne fonctionne pas toujours. Parce que l'interieur du moteur est à une temperature uniforme et il est difficile de condenser sans creer de turbulences. Sauf que créer les turbulences ca coute en pression (le carter restera en surpression) et ca prend de la place. Ici la plaque ne condense pas grand chose et pas mal d'huile part dans l'admission (on la retrouve dans le filtre à air). Quant au reniflard il est tout simplement trop etroit pour un moteur turbo.
Et pourtant en condamnant le remplissage d'huile par les culasses Maserati avait fait une modif geniale: ils avaient elargi le conduit de la jauge de niveau jusqu'à 27mm. Le conduit prend nassaince dans le demi-carter bas juste au dessus de l'huile. Marqué en rouge sur la photo.
Ce n'est rien d'autre qu'une cheminée de ventilation d'un diametre inespéré: meme si l'huile arrive à remonter le conduit il restera toujours de la place pour l'air qui monte. Autre probleme classique qu'on evite: les conduits de ventilation etroits finissent par se boucher par la mayo qui est due à la condensation de l'eau lors des arrets du moteur.
Ici il suffit de remplacer le bouchon de remplissage par un bouchon avec une derivation vers le filtre à air. Et inserrer quelques bouts de toles dans la longue section droite du conduit pour augmenter la surface de contact avec l'huile. La cheminée etant à l'air libre sa temperature est inferieure à celle de l'huile chaude, le brouillard d'huile va se condenser et retourner dans le carter.
Il ne reste qu'un seul problème: lors d'un freinage le niveau de l'huile peut atteindre l'entrée de la cheminée l'obstruer.
La solution est la meme que pour les conduits de descente d'huile: une entrée d'air déportée vers le centre du carter pour qu'elle soit découverte quand la cheminée est bouchée.
C'est un simple conduit inserré dans la cheminée. La section de passage qui reste dans la cheminée est largement suffisante.
Le conduit rajouté monte assez haut, tres peu de chances que l'huile du carter grimpe jusqu'à là.
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