Comment BMW a optimisé son V8 sur la M5 F10…

Vous le savez peut-être déjà mais le V8 de la dernière M5 n’est pas nouveau: il s’agit du moteur N63 provenant du X5/6 et de la 750i. Par contre, il n’est pas tout à fait identique, il a subit quelques modifications, notamment au niveau des turbos. Au final, l’équipe Motorsport nous a sorti un moteur exceptionnel!

A la base, ce N63 développe 400ch pour 4.4l et souffre d’un effet de lag, comme sur tous les moteurs turbo-compressés. Bien entendu, ce lag est minime par rapport à d’autres moteurs turbo mais perceptible comparé à un pure atmosphérique.

Le temps de réponse d’un moteur a toujours été le cheval de bataille de BMW, toujours à minimiser ce délai, afin de faire rugir la bête dès qu’on enfonce la pédale! Donc quand la division M a choisi d’utiliser un turbo sur son S63, il est clair que son temps de réponse serait minimal.

Notez que le N63 est devenu le S63 du fait de son passage chez BMW M (voir les nomenclatures des moteurs). Le S63 est présent dans les X5 M et X6 M.

Dans cette dernière M5, le moteur devient un S63 Tü (pour Technische Überholung – révision technique).

Voyons donc les évolutions de ce N63…

Année 2010, faites place au S63 et ses turbos!

Premièrement, le S63 partage les mêmes sorties d’échappement que le N63, c’est à dire qu’ils soufflent tous les 2 entre les 2 bancs de cylindres, vers l’intérieur du « V », et non traditionnellement vers l’extérieur.

Ensuite, ce V8 à 90° a un ordre d’explosion faisant en sorte que 2 cylindres du même côté explosent successivement, pendant une révolution du vilebrequin (au lieu d’en avoir également espacés entre les 2 côtés). L’ordre d’explosion de ce V8 est 1-5-4-8-6-3-7-2, où les cylindres 1 à 4 se trouvent à gauche (G) et 5 à 8 à droite (D). On a donc un ordre d’allumage de chaque rangée de cylindres qui est:

G-D-G-D-D-G-D-G

Cet allumage inégal (le double D au centre ainsi que le double G à la fin du cycle et sa répétition) est responsable du bruit rauque si particulier que l’on entend sur ces V8.

(au passage, notez donc la différence de bruit par rapport à un V8 Ferrari, calé à 180°, avec un allumage de type G-D-G-D-G-D-G-D: moins rauque et plus aiguë).

Dans un V8 « conventionnel », chaque turbo est nourri par les gaz de chaque cylindre d’une rangée. En utilisant l’ordre d’allumage de BMW, regardons comment le turbo gauche du N63 évolue par rapport au vilebrequin:

Position du
vilebrequin
Etat du turbo
0′ Pulse
90′
180′ Pulse
270′
360′
450′ Pulse
540′
630′ Pulse
720’/0 Pulse
810’/90′
900’/180′ Pulse
1090’/270′

etc…

Notez comment le turbo est sollicité: 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0…

La séquence « 0 0 » permet de sauter 2 explosions avant une autre pulsation (de gaz) et « 1 1 » donne au turbo 2 pulsations successives. Ces impulsions inégales donnent de la difficulté au turbo pour rester à une vitesse précise.

Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-contre, BMW a un code couleur sur l’échappement. Voici comment tout est connecté:

Vert: cylindres 1/7 vers turbo GAUCHE partie 1
Rouge: cylindres 4/6 vers turbo GAUCHE partie 2
Jaune: cylindres 5/2 vers turbo DROIT partie 1
Bleu: cylindres 3/8 vers turbo DROIT partie 2

 

 

Donc, si on résume tout cela, on obtient:

Vilebrequin Cylindre Côté Turbo Partie
0′ 1 L 1 1
90′ 5 R 2 1
180′ 4 L 1 2
270′ 8 R 2 2
360′ 6 R 1 2
470′ 3 L 2 2
580′ 7 R 1 1
690′ 2 L 2 1
0/720 1 L 1 1

Comme vous pouvez le voir, on a ici le fonctionnement d’un V8 standard, où du gaz part vers un des 2 turbo à chaque rotation de 90° du vilebrequin. Avec cette configuration, chaque turbo obtient une impulsion tous les 180°, malgré l’inégalité des intervals.

Si vous regardez de près chaque « partie » d’un turbo (au niveau de la réception des gaz), vous verrez que chacun d’eux est alimenté par la même entrée, 2 fois par ligne. Ce design particulier minimise les interférences entre chaque pulsation.

Et nous y voici donc: un morceau de génie qui aide le premier moteur turbo M à maximiser son temps de réponse! Bien entendu, ce n’est pas comparable à un atmosphérique, seulement à d’autres moteurs turbocompressés. Pour ceux qui aiment la puissance des turbos mais détestent le lag, ce petit changement nous donne un futur bien plus intéressant!

Sachez-le, nous verrons encore beaucoup de moteurs turbo dans le futur…

Évolution vers le S63Tü de la M5 F10

Ci-dessous les différences entre le S63 et le S63Tü:

Moteur S63Tü (F10 M5) S63 (X5/6 M)
Configuration/Nb cyl/soupapes V / 8 / 4 V / 8 / 4
Technologie Technologie M TwinPower Turbo avec croisement d’échappement, twin-scroll turbocharging, injection directe HPI, VALVETRONIC et Double-Vanos Technologie M TwinPower Turbo avec croisement d’échappement, twin-scroll turbocharging, injection directe HPI, Double-Vanos
Capacité 4395 ccm 4395 ccm
Alésage 88.3 mm 88.3 mm
Course 89.0 mm 89.0 mm
Compression ratio 10.0:1 9.3:1
Pression max turbo 1.5 bar 1.2 bar
Puissance 560hp 555hp
@ 5,750 – 7,000 tr/min 6,000 tr/min
Couple 501 lb-ft 501 lb-ft
@ 1,500 – 5,750 tr/min 1,500 – 5,650 tr/min
Redline 7,200 tr/min 7,000 tr/min

Comme vous pouvez le voir, la modification majeure est l’ajout du VALVETRONIC.

Afin de mieux connaitre ce nouveau moteur, ci-dessous une interview de Jürgen Poggel, directeur du développement des moteurs M.

Mr Poggel, quel a été le plus gros challenge pour ce V8?
Le V8 est un moteur sportif haute performance. Notre but a été de le rendre encore meilleur que son prédécesseur, le V10, qui a été une légende.

Quels sont les avantages de ce nouveau moteur?
Le plus gros avantage est l’impressionnant couple présent dès les bas régimes juqu’à la zone rouge. Alors qu’avec l’ancien V10, il fallait jouer avec la boite de vitesse, aujourd’hui, le boost est présent dès 1500tr/min grace à la technologie M TwinPower Turbo. Ce nouveau moteur développe 700 Nm de couple à 1500 tr/min alors que le V10 seulement 300 Nm. Ce turbo exceptionnel avec son temps de réponse minime nous donne un V8 ultime pour le sport automobile.

Ce qui veut dire?
Dans beaucoup de moteurs turbo, la puissance de sortie arrive vite à son maximum. Avec ce moteur, la puissance est constante à partir de 1000tr/min. Un limiteur de vitesse moteur donne donc du sens . Et nous avons travaillé sur beaucoup de systèmes permettant d’obtenir la réponse d’un moteur atmosphérique.

Qu’est ce que le client va faire avec tout cela?
Il a à disposition des performances et une conduite idéale sur circuit et routes.
Sur circuit, il changera de vitesse moins souvent. La réponse est telle qu’on pilote avec l’accélérateur sur une grande plage de fonctionnement. Ce qui signifie: meilleurs temps de circuit! Pour tous les jours, ce moteur est conçu pour offrir une souplesse et bien entendu consommer beaucoup moins (le défaut de son prédécesseur).

Comment avez-vous obtenu ces performances?
Le mot magique est « ouvrir les gaz ». Cela signifie optimiser les temps de réponses, la puissance et le rendement. Nous avons pratiquement tout modifié concernant l’arrivée d’air et l’échappement.

Commençons par l’arrivée d’air
A la sortie du turbo, l’air est à plus de 130 °C et doit donc être refroidit. Dans ce moteur, cet « air » n’est pas refroidit par de l’air froid mais directement avec de l’eau. De là, pas besoin de faire passer l’air par de longues durites. Elles sont par contre énormes, installées au plus près du moteur. Tout cela contribue donc à un meilleur rendement, la réponse est donc optimale.

Et du côté de l’échappement?
(rires) Nous utilisons l’échappement croisé qui est en fait un échappement optimisé pour les gaz du turbo provenant des cylindres. Ce moteur sonne de toute façon comme un traditionnel V8. Un V12 allume ses cylindres de façon alternative, un coup à droite et un autre à gauche, simple et régulier. Pour des raisons de confort, ce V8 est construit autour d’un vilebrequin qui engage 2 cylindres à la suite, du même côté, et passe ensuite à l’autre banc. On peut entendre ce phénomène à la sortie de l’échappement, une sonorité typique de cette nouvelle BMW M5.

Concernant les collecteurs d’échappement croisés, vous verrez que non seulement le volume d’air est important mais aussi la vigueur des gaz. Cela fonctionne seulement à cause des turbos Twin Scroll, où chacun reçoit 2 flux de gaz.

Pour illustrer cet avantage, prenons cet exemple. Imaginez une configuration simple: 8 cylindres soufflant dans le trou d’une turbine. La pression est non seulement envoyée à la turbine mais aussi aux autres cylindres via les collecteurs. Une simple perte d’énergie! Cette méthode est appelée « constant-pressure turbocharging »: on pompe tout dans un grand récipient pour y mettre les gaz sortant du collecteur. Dans notre cas, avec nos 2 turbos, les conduits du Twin Scroll agissent comme une partition dans la turbine afin que chaque pulsation de gaz aille embrasser les aillettes des turbos directement, sans se perdre en chemin. C’est donc de cette façon que nous utilisons la « vitesse » des gaz: non seulement le volume mais aussi son effet dynamique.

Cette technique offre un autre avantage: quand plus d’un cylindre envoie ses gaz dans un tuyau, il y a beaucoup de gaz résiduel (en fait, quand la soupape d’échappement est ouverte, le cylindre ne peut pas complètement vider son gaz brulé). Dans ce nouveau moteur, ce fameux gaz résiduel sort du cylindre avec le reste.

Nous avons exploité tout ce que nous pouvions du côté de l’échappement, pour une meilleure charge et réponse: durites larges, collecteurs croisés et twin scroll turbo.

Désengorger le moteur offre des performances en terme de puissance mais qu’en est-il de la consommation de carburant?
Oui, le moteur de cette nouvelle M5 tourne sur sa plage de fonctionnement avec presque toujours le même enrichissement, ce qui induit donc moins de consommation de carburant. Avec la M5 E60, il était impossible de faire un trajet de Garching vers le Nürburgring sans se ravitailler, aujourd’hui, c’est possible!

En sélectionnant le mode Sport ou Sport Plus, on peut vraiment ressentir une différence sur le boost. Comment cela fonctionne-t-il?
En mode Sport ou Sport Plus, une particulière configuration du VALVETRONIC et les waste gates gardent le turbo en fonctionnement. Normallement, les waste gates régulent la pression de la charge afin que les gaz d’échappement s’écoulent avec le minimum de pertes. La pression est ensuite remontée quand on accélère. Pour une meilleure réponse, on laisse les waste gates fermées jusqu’à ce que l’on ait besoin pour régulation. Les gaz d’échappement passent toujours par les turbines, qui ensuite repartent à toute vitesse. Quand plus de puissance est demandée, c’est tout de suite disponible. De plus, il y a une contre pression montante, causant une hausse de la consommation. Cette fonction peut bien entendu être activée ou non. Au passage, la 1M possède aussi ce « M Button ».

On entend quelques fois que les moteurs turbo sont utilisés car ils sont plus faciles à construire. Est-ce vrai?
Non, du moins, pas nos moteurs. Les moteurs atmosphériques sont sujet à de grandes forces mécaniques à cause de leur haut régime, nous avons donc besoin aujourd’hui de puissance, non seulement à haut régime mais aussi dans une plage de fonctionnement plus appropriée et efficace.

En outre, le moteur turbo fait face à des problèmes de haute température. Notre V8 peut sortir des gaz à 1050 °C. Plus la température est élevée, mieux c’est: pas besoin d’enrichir le mélange air/essence pour refroidir le moteur et meilleure temps de réponse. Certes, cette température doit être contrôlée. Ce bloc moteur de 200 kg varie entre 110 et 115 °C, avec une température de gaz et turbos pouvant atteindre 1000 °C.

Et cela doit être contrôlé quand la voiture est en marche ET à l’arrêt. Au top, le moteur fournit énormément de puissance à bas régime aussi (à peu près 2 fois plus que l’ancien V10). Pour la plupart des voitures, cela est insignifiant car le full power sort rarement. Maintenant, la BMW M5 est une sportive, cette puissance est demandée, surtout sur circuit!

Comment avez-vous optimisé le refroidissement?
Avec diverses mesures. Le moteur a été rabaissé de 2 centimètres pour une meilleure entrée d’air – et bien entendu pour un centre de gravité plus bas, améliorant le dynamisme de la voiture. En addition, le circuit d’huile a été conçu pour la course et peut ainsi encaisser des accélération latérales allant jusqu’à 1.3g. Comme le liquide de frein, l’huile doit être disponible à tout moment.

Cette nouvelle BMW M5 possède plusieurs circuits de refroidissement: le classique refroidissement d’eau et d’huile sont accompagnés d’un circuit basse température à eau qui, par exemple, refroidit indirectement l’air entrant. Quoiqu’il en soit, même les contrôleurs hautes performances sont refroidis par eau. En plus, il y a des circuit séparés pour la boite de vitesses, etc…

Finalement, de quoi êtes vous particulièrement fier dans cette nouvelle M5?
Cette nouvelle M5 délivre des performances hors normes. Vous allez expérimenter une incroyable sportivité. On y trouvera beaucoup de fun, autant sur route que circuit. C’est toujours un plaisir pour moi de conduire cette M5.

Et une petit vidéo pour vous montrer qu’elle a la pêche cette petite:

 

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