Pourquoi Porsche utilise un moteur Boxer | Stirlingkit

Parmi les marques emblématiques de voitures de sport, Porsche se distingue non seulement par son design élégant et ses véhicules hautes performances, mais aussi par son choix unique de motorisations. Porsche utilise des moteurs boxer depuis des décennies, se démarquant ainsi des autres constructeurs automobiles.

Qu'est-ce qu'un moteur boxer ?

Les moteurs à cylindres opposés horizontalement, communément appelés « moteurs de type H », ou moteurs à plat, positionnent les cylindres horizontalement. La configuration la plus courante des moteurs à plat est le moteur boxer, dans lequel les pistons de chaque paire de cylindres opposés se déplacent simultanément vers l'intérieur et vers l'extérieur. Les moteurs boxer sont un type de moteur à plat. Dans cette configuration, les pistons sont uniformément répartis de part et d'autre du vilebrequin et se déplacent horizontalement, de gauche à droite. Cette conception réduit la hauteur et la longueur totales du moteur, abaisse le centre de gravité du véhicule et améliore son fonctionnement. En installant le moteur le long de l'axe du véhicule, les couples générés par les pistons des deux côtés s'équilibrent, réduisant ainsi considérablement les vibrations pendant la conduite. De plus, le régime moteur a été considérablement amélioré et le niveau sonore a été réduit.

Bien que plusieurs marques, dont Ferrari, Lancia, Alfa Romeo et Chevrolet, aient déjà utilisé des moteurs à plat, cette technologie est actuellement majoritairement utilisée par Porsche et Subaru. Porsche est fier de son expertise en la matière, comme en témoignent ses modèles tels que la Porsche 718 (Cayman, Boxster) et la 911. Cependant, d'autres marques ont pesé le pour et le contre et ont finalement décidé d'abandonner cette technologie.

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Qu'est-ce qui est si bien avec les moteurs boxer ?

L'un des principaux avantages d'un moteur boxer est son centre de gravité bas, parfaitement adapté aux exigences des voitures de sport. La structure du moteur positionne les pistons, le bloc-cylindres et le sol en parallèle, ce qui réduit la hauteur et la longueur hors tout. Cette configuration compacte du moteur occupe moins d'espace dans l'habitacle et abaisse considérablement le centre de gravité du véhicule. De nombreuses voitures modifiées abaissent d'ailleurs ce centre de gravité en déplaçant la batterie et en remplaçant les amortisseurs, améliorant ainsi la maniabilité du véhicule. La configuration compacte du moteur minimise également les vibrations en virage, améliorant ainsi la stabilité à haute vitesse.

Un centre de gravité bas offre plusieurs avantages, notamment une meilleure dynamique, un freinage et une meilleure tenue de route. En matière de tenue de route, un centre de gravité bas améliore la stabilité en virage et permet des limites de conduite plus élevées. La configuration « plate » des cylindres abaisse non seulement le centre de gravité de la voiture, mais crée également une partie avant plate et basse, améliorant encore la stabilité de conduite.

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Le deuxième avantage notable réside dans l'excellent confort de conduite, les performances et la fluidité des accélérations offertes par les moteurs à cylindres opposés. Le mouvement équilibré des pistons, généralement décalé de 180 degrés, réduit les besoins en masse d'équilibrage du vilebrequin et favorise les régimes moteur plus élevés. Ces moteurs peuvent même maintenir un régime bas de 650 tr/min tout en assurant un fonctionnement fluide. De plus, comparés aux autres types de moteurs, les moteurs à cylindres opposés affichent une consommation de carburant plus faible. Contrairement aux moteurs en ligne, où les pistons montent et descendent, les pistons des moteurs à cylindres opposés se déplacent horizontalement, éliminant ainsi la nécessité de lutter contre la gravité. Cet avantage structurel, associé à l'auto-équilibrage du moteur à cylindres opposés, se traduit par un fonctionnement plus fluide. Des vilebrequins et des volants d'inertie légers remplacent les pièces d'équilibrage comme les arbres d'équilibrage, permettant des accélérations plus rapides et des vitesses plus élevées.

Porsche utilise exclusivement le moteur boxer dans ses gammes de voitures de sport, notamment les modèles 718 et 911. Ces moteurs offrent un centre de gravité bas et une maniabilité aisée, répondant parfaitement aux exigences de ces voitures de sport.

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Une autre caractéristique distinctive des moteurs boxer est leur capacité à supprimer les vibrations et le bruit. La disposition symétrique des cylindres permet d'annuler les vibrations générées par les pistons. Les mouvements opposés des pistons gauche et droit se compensent efficacement. C'est comme si l'on tirait les deux extrémités d'un élastique allongé et que l'on le relâchait légèrement au milieu : il ne rebondirait pas sur la main. À l'inverse, si l'on relâche une extrémité de l'élastique tout en le tirant, il rebondira sur la main. La configuration symétrique du moteur à cylindres opposés horizontalement atténue les problèmes liés aux vibrations.

C'est tellement bien, pourquoi les autres constructeurs automobiles ne l'utilisent-ils pas ?

Les moteurs à cylindres opposés horizontalement présentent des inconvénients et des défis inhérents qui expliquent pourquoi les autres constructeurs automobiles ne les adoptent pas largement.

L'une des principales préoccupations concerne les problèmes de lubrification et le faible couple du moteur. La structure complexe du moteur à cylindres opposés à plat rend difficile une lubrification adéquate. Le positionnement horizontal des cylindres entraîne des alésages et des bras de levier du vilebrequin plus courts que ceux des configurations en V ou en L. Par conséquent, le moteur présente naturellement des performances à faible couple. Sous l'effet de la gravité, l'huile s'accumule au fond du piston, ce qui entraîne une lubrification insuffisante d'un côté du cylindre. Il en résulte une réduction de la quantité d'huile lubrifiante en haut et un excès d'huile en bas, compromettant ainsi considérablement l'efficacité de la lubrification.

De plus, la précision de fabrication requise pour les moteurs à cylindres opposés augmente les coûts de maintenance. La conception plus large de ces moteurs limite également la flexibilité d'agencement. Le mouvement alternatif horizontal du piston, influencé par sa propre gravité, provoque une usure inégale des surfaces internes supérieure et inférieure de la chemise de cylindre. Le frottement entre la chemise de cylindre et l'ensemble segment de piston représente une part importante des pertes par frottement globales du moteur. Cette disparité des profils d'usure peut entraîner des problèmes tels que le grippage et l'explosion des cylindres, comme observé sur le moteur Subaru EJ257 commercialisé en Amérique du Nord.

Bien que les problèmes de lubrification inégale et d'usure puissent être résolus, des solutions telles que les huiles lubrifiantes spécialisées sont plus coûteuses. Par exemple, les modèles Porsche 911 utilisent trois pompes à huile pour assurer une pression d'huile suffisante, et certaines voitures plus modernes en possèdent même cinq, ce qui augmente le coût de l'huile moteur. Le problème d'usure inégale a également été atténué grâce aux progrès technologiques des matériaux.

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De plus, la production des moteurs à cylindres opposés est plus complexe et coûteuse. Un moteur 4 cylindres à cylindres opposés à double arbre à cames en tête nécessite des arbres à cames et des systèmes d'admission et d'échappement supplémentaires par rapport à un moteur 4 cylindres en ligne. La disposition et la répartition des pistons différentes entraînent également des composants de moulage différents des deux côtés, ce qui nécessite une production séparée et augmente les coûts de fabrication. Des calculs et des conceptions précis sont nécessaires pour des facteurs tels que les angles d'admission et d'échappement, la forme du flux d'air dans la chambre de combustion et la structure des soupapes afin de garantir l'efficacité et la durabilité du moteur, ce qui accroît la difficulté de conception et les coûts de fabrication. De plus, le processus d'assemblage des moteurs à cylindres opposés est complexe, notamment lors de l'assemblage symétrique des deux cylindres centraux. Une légère erreur d'assemblage peut entraîner l'usure du piston dans le cylindre et réduire la durée de vie du moteur.

La carrosserie plus large et la disposition longitudinale du moteur des moteurs à plat rendent les tâches simples comme le démontage et l'installation des bougies plus complexes. De plus, en raison de leur faible taux d'adoption, les coûts de maintenance des moteurs à plat ont tendance à être relativement plus élevés, compte tenu de la nécessité d'importer de nombreuses pièces.

Un autre défi réside dans les exigences de résistance élevées imposées à la paire de pistons du moteur. Le mouvement des pistons opposés atteignant simultanément le point mort haut ou le point mort bas exerce une contrainte de traction importante sur le vilebrequin dans le quadrant d'alignement à 180 degrés. Par conséquent, une conception rigoureuse de la résistance du vilebrequin et de la bielle est cruciale pour la paire cinématique des moteurs à pistons opposés horizontalement.

En fin de compte, d’autres marques automobiles choisissent de ne pas utiliser largement les moteurs boxer car elles ne voient pas la nécessité impérieuse de surmonter ces défis et inconvénients associés à cette configuration de moteur particulière.

photo du site https://www.sportsubaru.com/

Développement du moteur Boxer Porsche :

Le développement du moteur à plat par Porsche a débuté avec un 6 cylindres de 2,0 L refroidi par air. Dès sa création, la Porsche 911 a été conçue comme une voiture de sport hautes performances, intégrant une technologie avancée et coûteuse à son moteur. Avec sa conception refroidie par air, son positionnement longitudinal arrière et sa configuration à propulsion ou à quatre roues motrices, le compartiment moteur de la 911 était limité. Initialement, Porsche n'y avait réservé que 2,7 L d'espace.

À l'approche des années 1970, l'augmentation des besoins en puissance et l'introduction des pots catalytiques et de l'essence sans plomb ont nécessité une augmentation du volume du moteur. S'appuyant sur sa technologie et son expérience en compétition, Porsche a réalisé des avancées majeures en renforçant le bloc-cylindres, en réduisant l'épaisseur des parois des cylindres et en augmentant l'alésage. L'adoption de matériaux métalliques à haute résistance et de l'injection électronique a considérablement amélioré le régime et la puissance maximales du moteur. Malgré une augmentation minime de la cylindrée, la configuration optimisée du moteur de la 911, avec un volume supérieur à 2,7 L, n'a pas nécessité d'élargissement de l'arrière, préservant ainsi la compatibilité avec les voitures classiques. En substance, l'espace limité du compartiment moteur arrière, conjugué à sa forme courte et à sa forme en retrait, a posé des difficultés pour accueillir un moteur plus grand, ce qui a finalement conduit à l'adoption d'une configuration à quatre cylindres à plat.

Le moteur à plat est devenu une technologie emblématique de Porsche. En combinant le moteur à plat à l'injection directe, Porsche a obtenu des gains de puissance considérables. Cette configuration moteur a pleinement exploité son potentiel sur les modèles 911 et a été appliquée avec succès aux Boxster et Cayman, deux petites sportives. L'utilisation de moteurs à plat s'est transmise de génération en génération, devenant un héritage culturel de Porsche. Son style de réglage unique et ses performances exceptionnelles en font un élément essentiel de l'identité de la marque.

Structure du moteur Porsche Boxster/Cayman :

Les modèles standard et série S des Porsche Boxster, Cayman et 911 sont équipés de carters moteur tout aluminium, fabriqués selon un procédé spécial de moulage en coquille. Ce procédé permet à Porsche de réduire le poids tout en augmentant la rigidité du carter. Il en résulte un carter fermé avec paliers de vilebrequin intégrés, reliés par un seul passage d'eau fermé.

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Liaison de piston de moteur Porsche Boxster/Cayman :

Dans les moteurs Porsche Boxster et Cayman, des pistons en aluminium forgé sont utilisés pour atteindre des performances élevées en toute sécurité. Les améliorations apportées aux segments de piston minimisent les pertes par frottement. La puissance est transmise au carter par des bielles de conception nouvelle, plus dures et plus résistantes à la fatigue. La conception optimisée du piston et de la bielle, ainsi que la faible hauteur de compression, permettent de créer des composants associés offrant le meilleur rapport puissance/poids. La force d'inertie réduite réduit la charge sur le mécanisme d'entraînement du vilebrequin et contribue à un fonctionnement plus souple du moteur.

photo du site https://www.ourismansubaruwaldorf.com/

Mécanisme de contrôle d'admission du moteur Porsche Boxster/Cayman :

Porsche a optimisé la conception de l'orifice d'admission et du siège de soupape des moteurs Boxster et Cayman grâce à de nombreux résultats de simulation. Ces mesures garantissent un flux d'air d'admission adéquat et simplifient le processus de fabrication. Il en résulte une puissance et un couple caractéristiques élevés. Les arbres à cames d'admission et d'échappement ont également été réglés avec précision pour améliorer les échanges gazeux, ce qui se traduit par un couple maximal et une puissance de sortie plus élevés. De plus, les moteurs boxer Porsche utilisent le mécanisme de contrôle d'arbre à cames VarioCam, qui utilise un contrôleur à palettes et un piston à commande hydraulique pour ajuster le calage des soupapes d'admission. Ce système utilise un contrôle cartographique pour réguler la levée des soupapes d'admission dans une plage de valeurs maximales et minimales.

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La longévité du moteur Boxer de Porsche : la véritable raison

Structure du moteur horizontalement opposé :

La conception du moteur à cylindres opposés à plat concentre le poids sous le moteur, abaissant ainsi le centre de gravité. Cet avantage intrinsèque améliore considérablement la maniabilité du véhicule. Pour Porsche, marque dédiée aux performances sportives, cette caractéristique est tout simplement irrésistible.

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Vitesse de réponse turbo :

Si le moteur à plat contribue à cet avantage, le véritable atout réside dans le système à géométrie variable de la turbine (VTG) de Porsche. Ce système ajuste l'angle d'interaction du flux d'air d'échappement avec les aubes de la turbine, influençant ainsi la réactivité de cette dernière. En termes plus simples, le calculateur moteur (ECU) peut optimiser la vitesse de réponse du turbo et les valeurs de suralimentation pour répondre aux différentes demandes de puissance.

Répartition du poids des structures opposées horizontalement :

Les modèles Porsche équipés de moteurs à plat sont généralement montés à l'arrière ou au centre. Grâce à la disposition du moteur, qui maintient une répartition du poids de 50/50 entre les côtés gauche et droit, le poids est réparti uniformément sur l'essieu arrière. Cette répartition contribue à une meilleure traction, notamment grâce au positionnement arrière du moteur boxer.

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Douceur du moteur à cylindres opposés horizontalement :

Porsche accorde une grande importance à la ligne élancée de sa carrosserie, facteur essentiel du succès durable de la série 911. Cependant, cette approche conceptuelle laisse un espace limité dans le compartiment moteur. Malgré les contraintes d'espace, Porsche parvient à loger le moteur à plat grâce à sa compacité.

Globalement, la disposition horizontale du moteur permet à un moteur compact et léger de générer une puissance substantielle. Sa conception compacte permet un positionnement plus bas du moteur, abaissant ainsi son centre de gravité. Ceci améliore considérablement la maniabilité des sportives Porsche, notamment en virage. Grâce à la répartition du poids favorisant l'essieu moteur, la traction est nettement améliorée lorsque le moteur boxer est monté à l'arrière. De plus, la disposition horizontale améliore la consommation de carburant à mesure que la puissance du moteur augmente. Grâce à sa construction légère et à son centre de gravité bas, le moteur de la Porsche 911 offre des performances exceptionnelles tout en restant adapté à la conduite quotidienne.

Porsche a découvert que le moteur à plat s'accordait parfaitement avec sa quête de maîtrise et de performance. C'est pourquoi la marque a conservé cette configuration. En fin de compte, ce n'est pas une question de bien ou de mal, mais plutôt une question d'adéquation et d'alignement avec la philosophie de performance de Porsche.

Stirlingkit lancera le modèle de moteur Nitro Flat-4 TOYAN FS-B400 , le moteur Boxer Flat-6 est également en phase de conception.

Conception de ce nouveau moteur Toyan.

Il s'agit du modèle prototype du moteur.