L’échappement d’un moteur 4 temps d’une moto

L’échappement a pour but d’expulser dans l’atmosphère les gaz nés de la combustion de l’air avec l’essence dans la chambre de combustion.

Cette phase se déroule lors du dernier cycle du moteur à 4 temps : l’échappement. Durant ce temps, le piston remonte et expulse le mélange brulé.

A – Le triple rôle de l’échappement

Sur un véhicule routier, un échappement doit :

• Expulser les gaz nés de la combustion
• Atténuer notablement le bruit dû à l’évacuation des gaz
• Réduire les émissions polluantes.

Un échappement est constitué d’au moins 2 parties :

• un collecteur qui accompagne les gaz d’échappement
• un silencieux qui atténue le bruit et limite les émissions polluantes.

Depuis 2003 et la norme Euro 2, l’élimination des molécules toxiques se fait par catalyse et non plus exclusivement par filtration. Le catalyseur travaille de concert avec l’injection électronique.

B – Les différentes parties d’un échappement de moto

1 – Le collecteur

Sur un moteur, autre qu’un monocylindre, le collecteur a pour fonction de regrouper les différentes lignes (en général une par cylindre) vers une ou plusieurs sorties aboutissant au(x) silencieux. Sa configuration est très variable.

Sur un bicylindres, nous pouvons avoir un collecteur un « 1 en 1 » ou un « 2 en 1 ».

En théorie, un 2 en 1, parfaitement « accordé », permet d’optimiser la vitesse de sortie des gaz et donc améliorer le rendement moteur en profitant des effets de pression/contre-pression régnant dans chaque collecteur.

Sur un 4 cylindres, un 4 en 1 est moins cher à produire, plus compact et  plus léger. Enfin, son timbre est plus « linéaire ».

2 – Le catalyseur

Cette « petite usine » oxyde des micro-particules toxiques (COx et NOx) en éléments chimiques inoffensifs (CO₂ et No₂). Au fil du temps et sur les motos, le catalyseur est devenu très discret et fait désormais parti intégrante du ou des silencieux. Il se place en amont de la ou des chicane(s).

3 – Le silencieux d’échappement

Son but est de réduire le bruit des gaz brûlés qui se détendent et d’amortir la sonorité inhérente à leur vitesse soit :

• par chambre (le plus commun)
• par réflexion
• par disques (méthode choisie par Supertrapp).

La ligne d’échappement régularise l’écoulement des gaz qui sort du moteur tel une vague par cycle.

Le silencieux par chambre est formé d’une chicane qui obstrue en partie le tube réduisant le diamètre de la sortie.

Les gaz d’échappement parcourent un véritable labyrinthe qui les ralentit faisant de facto baisser leur célérité et par conséquent le bruit. Ce réducteur est entouré la plupart du temps par de la laine de roche, qui est un excellent isolant phonique.

4 – Remarques :

• Contrairement à une idée trop souvent reçue, un échappement performant est bien plus complexe que l’assemblage de vulgaires tuyaux. Cette pièce est en permanence optimisée en F1 ou en MotoGP.
• Les motos vintage et custom doivent faire un compromis entre le look, les performances et l’homologation.
• Notons aussi que « l’identité sonore », comme le « potato-potato » des Harley-Davidson, est travaillé par des bataillons d’ingénieurs.

C – Principe de fonctionnement d’un pot d’échappement de moto

L’onde sonore (mais aussi thermique) est expulsée du cylindre sous pression (plusieurs atmosphères) lors du temps de l’échappement.

Ceci est d’autant plus vrai qu’en réalité, la soupape d’échappement s’ouvre avant la fin du temps de la combustion.

Ce dernier temps du cycle à 4 temps voit le piston remonter du PMB vers le PMH. Les gaz d’échappement sont alors expulsés très rapidement hors du cylindre.

Lors du début de ce temps, il règne un différentiel de pression très important entre le début du collecteur et la ou les sortie(s) qui sont à la pression atmosphérique.

La vitesse de sortie des gaz prise au début de collecteur peut dépasser la vitesse du son (environ 1200 km/h) alors qu’au niveau de la sortie du silencieux, elle est comprise entre 160 et 200 km/h.

La contre-pression

Ce différentiel de pression engendre une évacuation très rapide des gaz brûlés à tel point qu’ils ont quitté le cylindre dès la moitié du temps de l’échappement. Au fur et à mesure de la remontée du piston vers le PMH, la pression baisse dans le cylindre.

Les gaz d’échappement font alors demi-tour et repartent vers la chambre de combustion. C’est l’effet de contre-pression.

Les gaz d’échappement évoluent donc dans le collecteur tel une vague par effet de pression puis de dépression ou contre-pression. Un échappement performant transformera « ses vagues » en un flux continu.

D – Quels sont les matériaux constitutifs d’un échappement de moto ?

1 – L’acier

La plupart des lignes d’échappement d’une moto de série sont en acier. C’est en effet la solution la moins chère car des tubes dans ce métal sont faciles à courber et à souder.

2 – L’acier inoxydable

Contrairement à une idée reçue, une ligne en inox (type Akrapovič) n’a pas une durée de vie infinie car elle se corrode au niveau des soudures de raccords. Ce processus est infiniment plus lent que sur un échappement standard.

Un échappement en inox est plus cher car il est plus difficile à former et à souder que l’acier ordinaire. Les tubes utilisés sont plus fins que son homologue en acier ce qui change la sonorité émise.

3 – Titane

Les échappements en titane sont chers mais ils permettent de gagner quelques centaines de grammes par rapport à une ligne en acier. Le prix des embouts ou des lignes est très élevé en raison du prix de ce matériau mais surtout du fait que le titane nécessite des soudures techniques. Néanmoins, nous retrouvons de plus en plus ce matériau sur des prépa café racer.

E – Limiter les émissions polluantes

Comme mentionné plus haut, l’échappement fait désormais partie d’un « écosystème ».

Il est équipé d’un catalyseur ainsi que de sondes oxygène (ou lambda), une par collecteur sur un moteur Euro 4. Leur nombre devrait augmenter avec la norme Euro 5 prévue pour janvier 2020.

Tout comme le catalyseur, ce capteur relié au calculateur nécessite de fortes températures (300-400°C) pour fonctionner correctement. Ceci explique la position en début de collecteur des sondes O_2.

F – Géométrie de l’échappement

1 – Diamètre du collecteur

En général, le diamètre du collecteur correspond à la taille de la soupape d’échappement. Après 2 à 3 cm, l’accroissement du diamètre du collecteur n’interfère plus avec la vitesse d’écoulement des gaz.

2 – Un échappement long

Un échappement long, et donc tortueux, donne un moteur avec du couple au détriment de la puissance à haut régime. Ainsi, une ligne de chez Storz Performance, particulièrement sinueuse, apporte du couple au V-Twin du Sportster. Un tel pot est idéal pour pour une utilisation « crapuleuse » sur route.

3- Un échappement court type « drag pipe »

A l’opposée, une ligne courte (inférieur à 1 mètre) donne un moteur qui prend des tours (puissance) au détriment des reprises (couple moteur).

Les échappements style « drag pipes » sont une hérésie thermodynamique car ils déstabilisent totalement la veine gazeuse (le parcours des gaz depuis l’admission jusqu’à la sortie d’échappement).

Ils ne font correctement le « job » sur les 200 ou 400 mètres départ-arrêté où le seul juge de paix est la capacité d’accélération. Dans cet exercice, les effets de contre-pression ont peu d’importance.

Un drag pipe évacue très mal la température hors des cylindres car les gaz brûlés peuvent retourner dans le cylindre avant la fermeture de la soupape d’échappement en raison de la contre-pression. La chambre de combustion n’est plus correctement « balayée par du mélange frais».

Des points chauds peuvent se former dans la chambre de combustion provoquant des explosions du mélange (et non une combustion) qui se caractérisent par des détonations ou auto-allumages du mélange créant des ratés à l’échappement.

Le croisement des soupapes fait que les gaz brûlés peuvent même se retrouver dans l’admission entrainant un rendement moteur catastrophique.

G – Quelques remarques à propos des échappements moto

1 – Tube d’équilibrage

Il s’agit d’un tube qui raccorde les deux collecteurs. Cette astuce permet  de proposer des motos avec des silencieux homologués qui restent relativement compacts.

Sur un bicylindre, cette jonction entre les deux lignes joue sur les effets de pression/contre-pression qui règnent dans chaque collecteur. La surface réelle des sorties est ainsi doublée.

2 -Quels sont les avantages des bandes thermiques ?

Initialement venues du monde du karting et du Nascar, les bande thermiques n’ont aucun intérêt mécanique hormis un coté vintage.

Sur une moto, même à refroidissement par air, le moteur est correctement ventilé. Elles peuvent s’avérer utiles sous le capot d’une automobile préparée car elles protègent les organes moteur annexes de la température générée par le collecteur.

3 – Stage 1 et échappement racing : quel bénéfice ?

Une ligne complète dite « performance » vous fera gagner environ 10 % de puissance au sein d’un stage 1 ( filtre plus libre « accordé » par une cartographie optimisée).