Présentation moteur: au coeur de la BMW M4 GTS

Présentation moteur: au coeur de la BMW M4 GTS

Guillaume Darding - 27 octobre 2015

Officiant en tant que voiture de sécurité pour les compétitions de MotoGP depuis le début de la saison 2015, la BMW M4 GTS est désormais accessible au grand public. Son système d'injection d'eau à l'admission est une innovation marquante: elle a permis au motoriste d'optimiser sensiblement la puissance du moteur.

Caractéristiques générales

Le moteur de la M4 GTS reprend le moteur de la M4 dans les grandes lignes. Il s'agit d'un 6 cylindres en ligne de 3,0l de cylindrée à injection directe d'essence. Il est suralimenté à l'aide de 2 turbocompresseurs à simple flux et de taille identique. Ils fonctionnent en parallèle et procurent une suralimentation pouvant atteindre 1,5 bar.

Chacun des turbocompresseurs est équipé d'une soupape de décharge actionnée électriquement. Cette dernière est plus réactive que les soupapes pneumatiques et permet, par ailleurs, un contrôle plus précis de la pression de suralimentations.

BMW M4 GTS - vue d'ensemble du groupe motopropulseur

Le moteur de la M4 GTS est construit à partir d'un bloc en fonte d'aluminium. Les chemises de cylindres sont elles-aussi en aluminium, elles reçoivent un traitement déposé par projection à l'arc. Ce traitement, similaire à celui réalisé sur certains moteur Mercedes diesel et AMG, permet de réduire de manière significative les frictions entre le piston et le cylindre.

Le carter d'huile est en magnésium, ce qui a permet de réduire le poids de ce composant de 1 kg par rapport à la même pièce en aluminium. Le vilebrequin est en acier forgé tandis que les pistons sont en aluminium. Les pistons reçoivent eux-aussi un revêtement spécifique à base de graphite (dénommé Graphal, le traitement est effectué par Mahle, le fournisseur des pistons).

BMW M4 GTS - vue de dessus du moteur

Son architecture est de type longue course avec une course de piston de 89,6 mm pour un alésage de 86 mm. Le taux de compression est de 10,2:1. La pression d'injection de carburant peut atteindre 200 bars. 

Il délivre une puissance de 368 kW (500 chevaux) au régime moteur de 6.250 tr/min pour un couple de 600 N.m entre 4.000 et 5.500 tr/min. Par rapport à la M4 classique, la puissance est en augmentation de 70 chevaux et le couple de 50 N.m.

La pompe à eau est entraînée par le vilebrequin (elle est normalement entraînée électriquement sur les autres modèles de la gamme BMW dont le moteur dérive).

Loi d'ouverture des soupapes

Le moteur de la M4 GTS est classiquement équipé des systèmes double Vanos et Valvetronic.

Le double Vanos est un système de calage variable des soupapes en continu. Le système est activé hydrauliquement. En théorie, un actionneur électrique (à l'image du VVT-iW proposé par Toyota) permet d'obtenir un calage sur une étendue plus large, la technologie utilisée par BMW montre néanmoins que la plage de variation est large (70° à l'admission, 55° à l'échappement).

Le Valvetronic permet de contrôler la levée des soupapes à l'admission et permet de se passer d'un papillon à l'admission pour contrôler le flux d'air. En revanche, le Valvetronic n'agit pas sur la durée d'ouverture des soupapes. Le système est activé à l'aide d'un servomoteur électrique.

BMW Valvetronic - levée variable des soupapes

De l'eau dans le moteur

Par rapport à la M4, la M4 GTS a vu sa pression de suralimentation augmentée de 0,2 bar. Toutefois, il n'était pas possible de réaliser cette opération sans risque pour la fiabilité, le moteur de la M4 étant déjà un moteur largement optimisé pour la performance.

BMW M4 GTS - vue de dessus moteur sans l'échangeur air/eau - injecteurs d'eau

Lorsque le moteur est suralimenté, l'air compressé est à une température bien supérieure à celle de l'air atmosphérique (de l'ordre de 70 °C à haut régime), bien qu'il passe à travers un échangeur air/eau pour être refroidi (il serait plutôt aux alentours de 150 °C dans le cas contraire). Naturellement, plus l'air est compressé, plus il devient chaud.

Plus l'air est chaud, plus le risque de cliquetis est élevé (détonation non contrôlée à l'intérieur du cylindre). Au mieux, cela conduit à une détérioration des performances. Dans le pire des cas, cela peut causer des dommages irrémédiables au moteur.

BMW M4 GTS - injection d'eau à l'admission pour refroidir l'air chaud

Pour augmenter la puissance sans augmenter le risque de cliquetis, le motoriste bavarois a choisi d'injecter une fine quantité d'eau à l'admission. Outre le fait d'être un liquide inoffensif, l'eau à l'état liquide absorbe une quantité importante d'énergie pour passer à l'état de vapeur.

Ceci permet donc d'abaisser de manière significative (jusqu'à 25 degrés en moins) la température de l'air à l'admission. D'autre part, le risque de cliquetis étant limité, l'avance à l'allumage peut aussi être optimisée au bénéfice de la puissance et du couple.

Consommation d'eau

L'eau est principalement injectée lorsque le moteur fonctionne à pleine charge (conduite sur circuit). A faible et moyenne charge, l'échangeur air/eau a une capacité suffisante pour refroidir l'air compressé. De petites quantités d'eau peuvent toutefois être injectées à moyenne charge lorsque la température ambiante est supérieure à 20 °C et que l'air nécessite donc plus d'énergie pour être refroidi.

L'eau est injectée à une pression de l'ordre de 10 bars au moyen de 3 injecteurs logés dans le répartiteur d'admission. L'eau est stockée dans un réservoir de 5 litres placé sous le coffre.

BMW M4 GTS - circuit d'injection d'eau

Lorsque la voiture est utilisée sur circuit et le moteur exploité à pleine capacité, le conducteur devra refaire le plein d'eau aussi souvent qu'il fait le plein d'essence. Sur route ouverte, le plein d'eau devra être effectué, dans les cas les plus défavorables, tous les 5 pleins d'essence.

Si le réservoir d'eau venait à être vide, le moteur s'adaptera et ses performances seront dégradées: la pression de suralimentation sera plus faible et l'avance à l'allumage sera réduite. Dans les faits, le moteur retrouvera les performances de la M4 classique.

A l'avenir, BMW pourrait récupérer l'eau formée par la condensation dans les conduits et silencieux d'échappement, ainsi que l'eau formée par condensation dans le circuit de climatisation. Ces deux techniques pourraient éviter au conducteur d'avoir à faire le plein d'eau à intervalles répétés.

Commentaires sur l'article:

clems

03 novembre 2015 à 22h56

Bel article, merci pour toutes les précisions. Ça vole bien plus haut que tous les autres essais de la presse spécialisée.
xav3294

09 avril 2016 à 21h56

les vielles américaines V8 faisaient pas mal de cliquetis , peux tu me dire si la chaine de distribution se situe à l'arrière du moteur (j'ai du mal à m'y faire ) , bel article sur ce motoriste bavarois !
Guillaume Darding [administrateur]

10 avril 2016 à 22h52

La chaîne de distribution se situe bien à l'avant du moteur dans le cas du moteur de la M4.

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Normes Euro 6 : vue d'ensemble»

Il y a 1 heure

Bonjour pjmdur, dans le cas d'un hybride, le mode de calcul pour calculer les émissions de CO2 selon le cycle WLTP revient à mesurer les émissions du moteur selon les différents modes de fonctionnement (cas où le niveau de charge de la batterie est maintenu et cas où le moteur électrique est utilisé jusqu'à l'épuisement de la batterie). En fonction de l'autonomie du véhicule électrique, les émissions mesurées dans le cas où le moteur est sollicité (maintien de la charge de la batterie) sont pondérées. La courbe est indicative et montre que plus le véhicule a une forte autonomie en mode électrique, plus le facteur de pondération sera important (par conséquent, les émissions de CO2 seront plus faibles). En réalité, le calcul est beaucoup plus complexe car la courbe varie sensiblement selon les phases de conduite du cycle d'homologation. Ces courbes sont censée être représentatives du taux d'utilisation du véhicule électrique en mode électrique et se basent sur des études statistiques. Au final, les émissions de CO2 déclarées n'ont absolument rien à voir avec ce que le moteur émettra lorsque la batterie est vide et la seule manière d'approcher les émissions officielles, c'est de rouler une grande partie du temps en mode électrique !

pjmdur à propos de l'article «Normes Euro 6 : vue d'ensemble»

Il y a 7 heures

Bonjour Guillaume, Un premier test en vrai grandeur d'un utilisateur du 3008 II Hybride 4 donne 5,6l sur 1000km, ce qui est plutôt correct pour un véhicule essence 4X4 de cette puissance. Mais c'est 3 fois environ le chiffre mixte WLTP annoncé.. D'autres tests de journalistes qui ont avoué n'être pas vraiment représentatifs car routes sinueuses parcourues d'une façon sportive, ont donné environ 7L. je me demande sérieusement comment sont réalisés les tests WLTP pour un véhicule Hybride/Plugin? J'avoue ne pas avoir compris la courbe %/autonomie batterie.

Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur : Mazda Skyactiv-X»

Il y a 12 heures

Bonjour Scotch et merci pour vos encouragements ! Concernant le taux de compression, c'est une donnée très importante dans la conception d'un moteur et le taux de compression effectif (du au retard de la fermeture des soupapes à l'admission) n'en est qu'une conséquence. Le fait d'avoir un taux de compression élevé vous donne la possibilité de basculer vers des modes de fonctionnement permettant la réduction des pertes par pompage (le cycle Atkinson comme vous l'évoquez, par exemple). Si, dans une conception moteur, on part avec un taux de compression faible, il n'y aura que peu de marge de manoeuvre sur ce critère-là. La charge moteur est gérée, autant que faire se peut, par le taux d'EGR (interne et externe) et la quantité de carburant injecté, le compresseur vient en renfort pour assurer un bon remplissage des cylindres et le papillon reste ouvert au maximum : c'est le mode de fonctionnement privilégié dans la zone SPCCI. En dehors de cette zone, le papillon va moduler la quantité d'air admise. Considérant que le moteur fonctionne en mode "classique" principalement à haut régime et/ou à forte charge, on peut en déduire que le papillon reste de toute façon assez largement ouvert et que les pertes induites par cet organe restent limitées. Le compresseur est débrayable car au-delà d'un certain régime moteur, il consomme beaucoup de puissance moteur (le compresseur est entraîné par le vilebrequin) et il est donc préférable de le désactiver. L'embrayage n'est donc pas utilisé pour moduler la pression de suralimentation.

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