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TECHNIQUE : LE V8 S65 BMW (M3)

v8 s65 bmw m3
© L'AUTOMOBILE SPORTIVE 01-11-2014

Après 15 ans et deux générations de M3 (E36 et E46), le six cylindres en ligne BMW avait bien mérité sa retraite. La nouvelle BMW M3 E92 prend donc la relève en 2008 avec un inédit 8 cylindres en V sous le capot. Plus de cylindres, plus de cylindrée, plus de puissance, plus de régime ! Un moteur d’exception pour une voiture de sport d’exception : le V8 BMW code S65 ouvrait une nouvelle page de l'histoire de la M3...

Texte : Sébastien DUPUIS - Photos : D.R.

La BMW M3 est comme toutes les automobiles de légende, condamnée à se réinventer perpétuellement sans décevoir ses fans. Cela vaut tout particulièrement pour le moteur, hissé au rang d'orfèvrerie par le département M de la marque sur chaque nouvelle génération. Et si les puristes pleuraient la fin de leur 6 en ligne adoré, le nouveau V8 aurait difficilement pu fixer la barre plus haut. La fiche technique de ce nouveau moteur conçu sur mesure pour la M3 témoigne de l’énorme progrès accompagnant ce changement. Une cylindrée de 3999 cm3, une puissance de 420 ch, un couple de 400 Nm, un régime maxi à 8400 tr/mn sont autant de chiffres qui parlent directement au coeurs des passionnés de belles mécaniques !

Un bloc digne de la F1 !

banc puissance v8 s65 bmw

8 x 500 = 4000, soit huit cylindres et quatre litres de cylindrée, c'est une formule qui définit la perfection dans l'oeil des motoristes BMW. En effet, un volume de 500 cm³ par cylindre est considéré comme idéal, bien que le précédent 6 cylindres avait dû faire une entorse à cette géométrie idéale du moteur sport sans qu'on lui en tienne rigueur. Le nouveau V8 BMW, qui partage sa conception avec le V10 ds M5 E60 et M6 E63, a dès le départ mis en oeuvre la solution théorique et pratique optimale pour ses dimensions, ses capacités de remplissage, le nombre de ses pièces et son poids propre. Ainsi la course est de seulement 75,2 mm pour un alésage de 92 mm, ce qui donne une cylindrée totale de 3 999 cm³.

Lors du développement du nouveau V8, les motoristes de BMW M ont aussi cherché à réduire les masses en mouvement au strict minimum, notamment dans l’embiellage et la commande des soupapes. C’est ainsi qu’ils ont disposé les deux rangées de quatre cylindres, décalées de 17 mm, pour former un angle de 90° qui optimise l’équilibrage des masses en termes de vibrations de premier et second ordre et donc d’agrément.

Les blocs moteur de la BMW M3 E92 étaient coulés dans la fonderie BMW de Landshut, là d'où sortaient également les moteurs des F1 BMW de l'époque. Le carter-semelle du moteur (type bedplate) est réalisé par coulée en coquille à basse pression d’un alliage hypereutectique d’aluminium et de silicium (Alusil). Dans cet alliage, la teneur en silicium s’élève à 17% au minimum. Les surfaces de glissement des cylindres sont réalisées par mise à nu des cristaux de silicium très durs. Comme c'était le cas à une époque avec les blocs traités au Nikasil, il n’est donc pas nécessaire de chemiser les cylindres.

vilebrequin v8 bmw m3 s65Le carter semelle en aluminium coulé en coquille intègre des inserts en fonte grise qui réduisent la dilatation thermique du carter et assurent un logement très précis du vilebrequin en maintenant le jeu de ses 5 paliers dans d’étroites limites sur toute la plage des températures de service. Pour former une liaison géométrique avec le cadre en aluminium qui les enveloppe, les inserts présentent plusieurs passages. L’entraxe des cylindres étant de 98 millimètres seulement, le vilebrequin en acier matricé à haute résistance brille par une excellente rigidité en flexion et en torsion et ne pèse que 20 kg. Deux bielles s’articulent sur chacun des quatre manetons décalés de 90 degrés les uns par rapport aux autres.

piston bielle v8 bmw s65

Les pistons caisson au poids optimisé sont coulés en un alliage d’aluminium extrêmement thermorésistant, puis revêtus de fer. Axe et segments compris, ils ne pèsent que 481,7 grammes. La hauteur de compression ou hauteur d’axe est de 27,4 mm pour un taux de compression de 12,0:1. Les pistons sont refroidis par des gicleurs d’huile branchés directement sur le conduit d’huile principal. D’une longueur de 140,7 mm, les bielles trapèze du type bielle brisée sont en un alliage acier-magnésium à haute résistance. Chacune des bielles ne pèse que 623 grammes, coussinets compris, ce qui réduit efficacement les masses oscillantes.

Les culasses monoblocs en aluminium possèdent quatre soupapes par cylindre et chacune d'elles pèse 42 grammes. Nouveauté par rapport au précédent L6, elles sont cette fois commandées par des poussoirs à coupelle bombés avec compensation hydraulique du jeu (HVA) ce qui supprime les maintenances liées au réglage du jeu aux soupapes. Les soupapes d’admission présentent un diamètre de 35 millimètres, celui des soupapes d’échappement étant de 30,5 millimètres. D’un diamètre de 5 millimètres seulement, leur tige est tellement fine qu’elle ne gêne quasiment pas l’écoulement dans la veine d’admission.

Par rapport à des systèmes conventionnels, le principe du refroidissement à flux transversal adopté pour le nouveau V8 minimise sensiblement les pertes de pression dans le circuit de refroidissement. Il répartit la température de manière homogène dans la culasse et abaisse ainsi les températures maximales dans les zones critiques de celle-ci. Pour refroidir chaque cylindre par une quantité de liquide optimale s’écoulant autour de lui, le liquide de refroidissement passe du carter moteur au côté échappement, puis traverse la culasse et la rampe collectrice du côté admission, avant d’être amené au thermostat, voire au radiateur.

carter lubrification pompe à huile v8 s65 m3 bmwLe dynamisme élevé de la BMW M3 requiert aussi une alimentation en huile sophistiquée. Elle est conçue pour des accélérations longitudinales et transversales pouvant atteindre 1,4 G. Quelle que soit la situation de conduite, deux pompes à ailettes et tiroirs pilotées à débit volumétrique alimentent le V8 en huile. A chaque instant, elles refoulent exactement la quantité d’huile requise par le moteur. Pour cela, le rotor intérieur de la pompe est à excentricité variable par rapport au carter de pompe, l’excentricité variant en fonction de la pression d’huile régnant dans le conduit d’huile principal. Vu les efforts physiques agissant dans des situations dynamiques extrêmes, il se pourrait par exemple en cas de freinages particulièrement violents que l’huile ne retourne pas en quantité suffisante dans le carter d’huile qui fait office de réservoir intermédiaire, d’autant plus que celui-ci est disposé en arrière du porte-essieu avant pour des raisons d’encombrement. Dans le cas le plus défavorable, la lubrification pourrait s’en trouver interrompue. Le «graissage à carter humide à dynamique optimisée» s’y oppose. Le système comprend deux carters d’huile : un petit logé en avant du porte- essieu avant et un grand disposé en arrière du porte-essieu. En toutes circonstances, une pompe séparée aspire l’huile du petit carter avant pour l’amener dans le grand carter arrière. Celui-ci est soigneusement protégé pour éviter toute perte par barbotage ou moussage.

VANOS basse pression

La deuxième composante du dynamisme, la poussée effectivement disponible aux roues motrices, résulte du couple moteur et de la démultiplication totale. Avec 400 Newtons-mètres à 3900 tr/mn, le couple maximal du V8 S65 est environ 10% supérieur à celui du six cylindres de la M3 E46 et comme ce dernier, il se disitngue par son élasticité hors norme : 340 Nm disponibles dès 2000 tr/mn et 85% du couple maxi disponible sur une plage de 6500 tr/mn ! Car si l’électronique bridait le régime du L6 S54 à 8000 tr/mn, le nouveau V8 va encore plus loin avec un régime maximal de 8300 tr/mn. A cette vitesse, chacun des 8 pistons de coeur mécanique bat à raison d'une vitesse moyenne 20 mètres par seconde. La réduction de la course (75,2 mm contre 91 mm sur le L6) a permis d'abaisser cette valeur et de mieux contrôler la température d'huile.

Enfin – et c’est là le point décisif pour le résultat d’ensemble – le concept du haut régime permet une démultiplication optimale des rapports de boîte et du pont et garantit ainsi la transmission parfaite de la poussée sur la route. Un exemple illustre bien l’effet ainsi obtenu : si un cycliste met un plus petit braquet pour monter une côte, il doit, certes, pédaler plus vite, mais il viendra à bout de pratiquement toutes les pentes. Si, cependant, il ne change pas de vitesse ou qu’il passe un braquet plus grand, il doit soit appuyer plus fortement sur les pédales soit descendre de son vélo... A force égale, l’emportera toujours celui des cyclistes qui est capable de pédaler plus vite.

courbe puissance graph v8 s65 bmwLors de la conception du V8 de la BMW M3, l’augmentation de la puissance grâce à un cycle de charge optimal en présence de régimes élevés a retenu toute l’attention des ingénieurs. En effet, la réduction des pertes par pompage n’augmente pas seulement la puissance, mais améliore aussi la courbe de couple, optimise la réponse et réduit la consommation et les émissions. Ces qualités correspondent aux tâches fixées au calage variable des arbres à cames, double VANOS. Ce système avait fêté sa première mondiale dès 1995 sur la BMW M3 E36. Grâce à ses réglages ultrarapides, le système double VANOS optimise aussi les échanges gazeux sur le V8 de la  M3 E92. Par exemple, il augmente le croisement des soupapes dans la plage de charge partielle et des régimes inférieurs et, partant, améliore le recyclage interne des gaz d’échappement. Les pertes par pompage et la consommation de carburant s’en trouvent réduites.

La position de l’accélérateur et le régime moteur déterminent la puissance demandée au moteur. Piloté par cartographie, le système double VANOS adapte le calage des arbres à cames en continu à ces deux paramètres. A la différence du V10 de la  M5, le pignon de chaîne n’est pas relié au vilebrequin par une chaîne simple, mais par une chaîne double. Et il n’est pas relié à l’arbre à cames par un engrenage à denture hélicoïdale, mais par un rotor pivotant. Avantage : contrairement au V10 doté du VANOS haute pression, le double VANOS M basse pression mis au point pour le V8 se contente de la pression de l’huile moteur pour alimenter le rotor pivotant. Même sans circuit haute pression séparé, il est ainsi possible de produire un mouvement de rotation relatif entre les arbres à cames et le pignon de chaîne et ce, à une vitesse et une précision maximales. Le calage de l’arbre à cames d’admission peut varier entre 0 et 58 degrés d’angle de vilebrequin et celui de l’arbre à cames d’échappement entre 0 et 48 degrés d’angle de vilebrequin au maximum. La vitesse de calage maximale est de 360 degrés d’angle de vilebrequin par seconde. Le calage basse pression garantit donc des réglages ultrarapides et, par là – en synchronisation avec le point d’allumage et le débit d’injection – l’angle de calage optimal, en fonction de la charge et du régime moteur.

Admission : les papillons indépendant

papillons admisison v8 bmw s65

Plutôt rare dans la construction d’automobiles de série car développé en compétition, le papillon des gaz individuel pour chaque cylindre est une vielle tradition chez BMW M. La raison principale est que ce système mécanique complexe reste inégalé pour assurer des réactions très spontanées au moteur. Les 4 papillons à commande électronique de chaque rangée de cylindres du V8 de la M3 sont desservis par leur propre servomoteur qui remplace la commande par câble des premières M3. A cet effet, deux générateurs Hall sans contact saisissent et analysent la position de l’accélérateur 200 fois par seconde. La gestion moteur enregistre toute variation et déclenche alors le réglage des 8 papillons des gaz, via les deux servomoteurs. Il s’agit là d’une opération ultrarapide : 120 millisecondes suffisent pour ouvrir les papillons au maximum – soit environ le temps qu’il faut à un conducteur averti pour écraser l’accélérateur.

Pour aller de paire avec cette spontanéité donnée au moteur, il faut que le volume d’air soit très petit du côté admission du papillon. S’y opposent cependant les sections d’admission importantes et le volume important des collecteurs d’air, nécessaires à la repsiration d'un tel moteur. Afin de concilier les deux exigences, les papillons sont placés à proximité directe des soupapes d’admission, dans les tubulures d’admission. La ligne d’admission d’air du V8 peut ainsi se passer du capteur de débitmètre d’air massique à film chaud (HFM). Au lieu de saisir la charge grâce à ce capteur, la gestion moteur reprend cette fonction : pour ce faire, elle s’appuie sur un modèle pour calculer la charge à partir de la position des papillons et de l’actuateur du ralenti, de la position du VANOS, du régime moteur, de la température et de la pression de l’air. En même temps, ce type de configuration améliore le flux d'air d'admisison. La longueur et le diamètre des 8 trompes d’admission en un matériau composite favorisent également l’effet de suralimentation par résonance. Le collecteur d’air est alimenté par un silencieux d’admission grand volume présentant trois prises d’air.

Echappement biflux

echappement v8 bmw m3 s65

La conception de la ligne d’échappement du V8 S65 de la M3 optimiselui aussi les échanges gazeux. Pour atteindre une courbe de puissance et de couple idéale, les ingénieurs ont veillé à réduire au maximum la contre-pression des gaz d’échappement. C’est pourquoi ils ont réalisé une ligne d’échappement du type biflux jusqu’aux silencieux arrière. Ils ont aussi prêté une grande attention au poids de cette ligne d'échappement.

La force d’innovation particulière des motoristes de la société BMW M GmbH se manifeste aussi dans les techniques de fabrication utilisées. L’hydrofor­mage est un procédé qui a été mis en œuvre pour la première fois au monde en 1992, sur la BMW M3 de l’époque, et sans cesse perfectionné depuis. Avec ce procédé, les tuyaux d’échappement sont mis en forme sans soudure, sous l’action d’une pression intérieure pouvant atteindre 800 bars. Leurs parois présentent alors une épaisseur extrêmement fine comprise entre 0,65 et 1,0 millimètre. Le poids de la ligne d’échappement s’en trouve optimisé tout autant que la réponse des pots catalytiques. En même temps, l’hydroformage permet des formes qui n’étaient jusqu’ici pas réalisables ainsi que des tolé­rances géométriques encore plus avantageuses. Tous les tuyaux primaires et secondaires étant réalisés d’une pièce malgré leur forme complexe, de nom­breux raccords et cordons de soudure sont supprimés. Il n’y a pas non plus de variations de section dues à des plis ou à des coudes affaissés. Résultat : les sections maximales des tuyaux sont exploitées, ce qui minimise les résistances à l’écoulement.

En règle générale, les collecteurs d’échappement en éventail (aussi appelés "spaghettis") sont réservés aux moteurs de course. Pour le V8, les deux collecteurs de type "4 en 1" réalisés en acier spécial inox ont été optimisés à l’aide de calculs CAO pour leur conférer des tuyaux de longueur absolument identique. La dynamique des gaz du système est ainsi exploitée au maximum. Deux pots catalytiques – un par branche d’échappement – sont placés tout près du moteur afind e monter très vite en température. Par ailleurs, ils se distinguent par une faible perte de pression et une tenue mécanique élevée. Deux autres pots catalytiques à revêtement trimétallique sont logés sous la voiture. Le V8 S65 se conforme aux dispositions des normes antipollution Euro 4 et LEV 2.

Gestion moteur à la pointe

gestion electronique ms s60 bmw m3 s65

La gestion MSS60 du V8 S65, dérivée de la gestion du V10, est composée de plus de 1000 pièces. Ses trois processeurs 32 bits sont capables de traiter plus de 200 millions d’opérations par seconde. Ainsi par exemple, elle analyse plus de 50 signaux d’entrée pour déterminer le point d’allumage optimal, le remplissage idéal, le débit et le moment d’injection pour chaque temps moteur et pour chaque cylindre. Simultanément, elle calcule et gère le calage optimal des arbres à cames ainsi que la position correspondante des huit papillons des gaz. La commande du régulateur électronique des papillons des gaz repose sur une structure basée sur le couple, ce qui signifie que le souhait du conducteur, relevé grâce à un potentiomètre implanté sur l’accélérateur, est traduit en un couple optatif correspondant à ce souhait. Le «gestionnaire des couples» corrige celui-ci des couples requis par les organes secondaires, tels que le compresseur de la climatisation ou l’alternateur. Des fonctions comme la régulation du ralenti, la dépollution des gaz d’échappement et la régulation anticliquetis sont également coordonnées et ajustées aux couples maxi. ou mini. requis par le contrôle dynamique de la stabilité (DSC) et le régulateur du couple résistant (MSR). Le couple théorique ainsi calculé est alors réglé en tenant compte de l’angle d’avance momentané.

Or, la MSS60 est plus qu’une gestion moteur au sens strict du terme. Le matériel, le logiciel et le principe de fonctionnement étant des développements signés BMW M, elle soutient aussi de nombreuses fonctions spécifiques  relatives à l’embrayage, à la boîte de vitesses, à la direction et aux freins. Ainsi, le conducteur de la BMW M3 avait lui aussi la possibilité d’activer un programme plus sportif en donnant une impulsion sur le bouton POWER, logé près du levier de vitesses. Ce mode sport utilise une courbe caractéristique plus progressive quant au diagramme course de l’accélérateur/ouverture des papillons et fait passer les fonctions transitoires dynamiques de la gestion moteur électronique à une réaction plus spontanée. A chaque redémarrage, c’est le mode confort qui est automatiquement activée. La commutation entre les deux programmes sport et confort peut être configurée et appelée grâce à la fonction MDrive. Cette dernière permet d’appeler en plus un troisième programme à vocation ultrasportive. Enfin, la gestion moteur assume les tâches du diagnostic embarqué (OBD) comprenant diverses routines de diagnostic pour l’atelier, ainsi que d’autres fonctions et la commande de divers périphériques.

L'ANTI-CLIQUETIS PAR COURANT IONIQUE
Les moteurs sans régulateur anticliquetis ont un taux de compression plus bas, et leur point d’allumage est décalé dans le sens du retard, parce que tout dépassement de la limite du cliquetis pourrait endommager le moteur. Or, cette marge de sécurité se répercute directement sur le rendement du moteur, son couple et sa consommation. En revanche, le régulateur anticliquetis actif réalise le point d’allumage optimal et protège le moteur. Dans une solution conventionnelle, des capteurs de son fixés à l’extérieur des cylindres détectent le cliquetis. Or, plus le régime moteur est élevé et le nombre des cylindres grand, et plus la fiabilité avec laquelle ces capteurs détectent le cliquetis diminue.

La technologie du courant ionique destinée à identifier le cliquetis (inflammation intempestive du carburant dans un cylindre) ainsi que des ratés de l’allumage et de la combustionest un autre raffinement particulier de la gestion moteur du V8 S65. Elle profite d’un phénomène physique dû aux températures régnant dans la chambre de combustion qui peuvent atteindre 2 500 degrés lors de la combustion. Ces températures élevées ainsi que les réactions chimiques se déroulant lors de la combustion entraînent en effet une ionisation partielle du mélange air/carburant se trouvant dans la chambre de combustion. C’est surtout dans le front de flammes que la production d’ions par séparation ou dépôt d’électrons (ionisation) rend le gaz conducteur.

A l’aide de l’électrode de la bougie d’allumage – reliée à un boîtier d’analyse dépendant de la gestion moteur et logé dans la bobine – à laquelle on applique une tension continue, on mesure alors le courant dit ionique entre les électrodes. Son intensité dépend du taux d’ionisation du gaz entre les électrodes. Cette innovation BMW, inaugurée en série sur le V10 de la BMW M5, renonce ici au satellite de mesure du courant ionique. Sur la BMW M3 E90/E92, ce circuit est pour la première fois intégré directement dans la bobine, avec l’étage d’allumage final. L’électronique intégrée dans chaque bobine reçoit le signal émis par la bougie de l’un des 8 cylindres. Il l’amplifie et l’envoie à la gestion moteur qui l’analyse pour intervenir, le cas échéant, cylindre par cylindre. Ainsi par exemple, via le régulateur anticliquetis, elle adapte de façon idéale le point d’allumage dans chaque cylindre à la combustion en cours.

Récupération d'énergie

Le nouveau V8 destiné à la BMW M3 fait lui aussi appel à la récupération de l’énergie libérée au freinage (Brake Energy Regeneration) pour augmenter son efficacité. Cette fonction permet de concentrer la production d’énergie électrique pour le réseau de bord sur les phases de décélération et de freinage du moteur. Cette gestion des énergies asservie à la situation de conduite est assurée par la régulation intelligente du générateur. Dans la circulation quotidienne, la fonction Brake Energy Regeneration présente deux avantages. D’une part, la gestion ciblée de la production d’énergie électrique se traduit par une réduction de la consommation. D’autre part, le conducteur bénéficie directement du découplage du générateur dans les phases de fonctionne­ment sous charge. La production d’énergie électrique étant interrompue pendant les phases d’accélération, il dispose d’un surplus de puissance à l’accélération – à la baisse de la consommation s’ajoute ainsi l’amplification de la joie au volant. La gestion ciblée de la production de courant faisant augmenter le nombre des cycles de charge de la batterie, la fonction Brake Energy Regeneration est combinée avec des batteries modernes du type AGM (Absorbent Glass Mat, à nappe de verre absorbante). Celles-ci sont nettement plus résistantes que les batteries plomb/acide conventionnelles. Sur les batteries AGM, l’acide est absorbé par des nappes de microfibres de verre intercalées entre les plaques de plomb. Elles gardent leur capacité d’accumuler l’énergie même lorsqu’elles sont souvent chargées et déchargées.

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