L'histoire des six cylindres en ligne BMW
2.1 Concept et conception de base
Cela fait près de 70 ans que la construction de six cylindres en ligne révolutionnaires compte parmi les compétences clé de BMW. Une compétence indissociable de la marque depuis plus longtemps que les naseaux en tant que marque distinctive indéniable de toute auto-mobile BMW.
Déjà à l'époque, on donnait la préférence à l'architecture du six cylindres en ligne. Par rapport à d'autres concepts à six cylindres, il se distingue en effet par l'absence totale de moments d'inertie libres. Le fonctionnement velouté qui en résulte et se compare à celui d'une turbine, reste toujours inégalé et ne pourra être atteint par aucune autre architecture, les lois de la physique l'interdisant.
Les six cylindres en ligne de la marque BMW se démarquent d'autres moteurs à cylindres en ligne par les valeurs de pointe qu'ils atteignent en matière de puissance et de couple par rapport à la cylindrée offerte. Dans le monde des spécialistes, ces paramètres - soit la puissance et le couple spécifiques - sont considérés comme indi-cateur du niveau, voire de l'avance technologique d'un moteur. En lançant au bon moment des technologies avant-gardistes et utiles pour le client - parmi lesquelles le système de calage variable des arbres à cames, VANOS, n'est que la fin provisoire et l'étape la plus remarquée du développement - BMW a toujours été parmi les leaders de cette discipline. Les moteurs à essence issus de la Maison BMW mobilisent sans peine 77 kW (105 ch) à partir d'un litre de cylindrée. Et un couple de 100 Nm puisé dans un volume identique est considéré comme un impératif à respecter par tout nouveau moteur sans qu'on ne doive pour autant faire appel à la suralimentation.
Après tout, le client profite de cette qualité parce que les moteurs BMW sont très compacts et donc légers par rapport à la puissance qu'ils débitent, ce qui se fait sentir positivement quand on passe à la pompe. La disponibilité des groupes BMW à monter en régime avec une grande agilité et la plage très large des régimes utiles - de 700 à 6500 tr/mn - s'expliquent également par le bon rapport entre la puissance et le couple d'une part et la cylindrée de l'autre.
Les automobiles BMW doivent leur excellente maniabilité et leur comportement neutre jusqu'aux limites pourtant repoussées pour une part essentielle au principe de la propulsion standard. Le six cylindres en ligne installé dans le sens longitudinal soutient ce concept depuis 1933 et demeure l'architecture moteur optimale dans la catégorie de cylindrée et de puissance dans laquelle il opère.
2.2 L'histoire des six cylindres en ligne BMW
M78 : le premier six cylindres pour une automobile BMW
Il a fallu attendre 16 ans après la création de la société Bayerische Motoren Werke GmbH en 1917 avant de pouvoir accueillir sur le marché la première automobile BMW équipée d'un moteur à six cylindres en ligne. Le type 303 débuta en 1933 ; ce fut la deuxième voiture conçue par BMW et la première arborant les naseaux de calandre. Derrière ceux-ci se cachait un six cylindres en ligne de 1,2 litre développant 30 ch à 4000 tr/mn. Il sut convaincre avant tout par d'excellentes qualités de fonctionnement, inédites dans cette catégorie automobile.
Le moteur reposait sur le quatre cylindres mis en oeuvre pour la première fois un an plus tôt et s'en différenciait essentiellement par le regroupement du carter de vilebrequin et du bloc-cylindres en une pièce. Ce propulseur possédait un arbre à cames logé dans le carter et des tiges de poussoirs actionnaient, via culbuteurs, les soupapes en tête en ligne. Les tubulures d'admission et d'échappement étaient placées du même côté.
Aujourd'hui, les entraxes inégaux des cylindres nous semblent étranges. La distance entre les deuxième et troisième et entre les quatrième et cinquième cylindres était en effet plus grande, l'espace ainsi disponible servait à loger les paliers du vilebrequin et de l'arbre à cames. Le vilebrequin, dépourvu de contrepoids, était donc logé sur quatre paliers comme d'ailleurs l'arbre à cames. Ce qui n'expliquait cependant pas cette conception inhabituelle. Elle se justifiait plutôt par le montage du vilebrequin complètement préassemblé, et donc équipé des bielles et pistons, une méthode courante à l'époque : les pistons devant de ce fait être introduits par en bas, les logements des paliers de vilebrequin ne devaient pas faire saillie sur les contours des cylindres. Les paliers ne pouvaient donc être placés qu'entre des cylindres très espacés.
Un détail de l'alimentation en carburant affichait un autre trait tout aussi inhabituel dans l'optique actuelle, mais fort caractéristique de l'ingéniosité typique de BMW : juste au-dessus des deux carburateurs verticaux, les tubulures d'admission étaient entourées de poches de la taille d'un poing. Celles-ci étaient reliées avec la ligne d'échappement et chauffaient de ce fait le mélange. Résultat : pas de givrage et meilleure répartition du mélange.
Dans les années qui suivirent, toute une série d'autres six cylindres furent déclinés de ce moteur, en partie dotés d'une culasse en aluminium. La cylindrée fut portée jusqu'à deux litres, et en fonction de la puissance requise, les chambres de combustion étaient alimentées par un, deux ou trois carburateurs. C'est un moteur de ce type à trois carburateurs fort de 40 ch qui animait la BMW 315/1. Cette voiture de sport biplace apparut en 1934 et se fit un nom en rem-portant de grands succès dans de nombreuses courses : c'est avec ce moteur et avec cette voiture que les automobiles BMW commencèrent à construire leur image sportive.
M328 : le six cylindres légendaire des années 30
La compétition sportive se fit plus acharnée et la course automobile plus dure, et il fut de ce fait indispensable de s'aligner avec des voitures toujours plus puissantes. On chercha donc un moyen pour augmenter sensiblement la puissance sans agrandir la cylindrée. Le résultat de ces recherches eut pour nom M328, le moteur animant la 328, la voiture de sport légendaire de l'année 1937. Ce groupe était le premier moteur automobile de BMW à disposer de soupapes en V qui n'étaient cependant pas actionnées directement par des arbres à cames en tête, mais par tiges et culbuteurs. Le moteur de base ne comportant des guides de tiges de culbuteur que du côté admission, un mécanisme logé dans la culasse renvoyait les forces d'actionnement au côté opposé, par le biais de biellettes et de leviers de renvoi.
Doté de trois carburateurs inversés logés sur la culasse, le six cylindres de 2 litres débitait 80 ch permettant ainsi au poids plume qu'était la 328 de filer à plus de 145 km/h. Bien vite, cette mécanique devint l'incarnation même du moteur sport. Or, le potentiel de puissance du six cylindres était loin d'être épuisé. Sur les moteurs de course, les ingénieurs réussirent à porter la puissance à 100, voire à 110 ch. La limite étant moins dans le moteur en tant que tel, mais plutôt dans le carburant disponible avec un indice d'octane de 80 seulement. Le rapport volumétrique était de ce fait limité à 9,5/1 tout au plus. Il fallut attendre des carburants de course spécifiques pour repousser cette limite et porter le M328 à 136 ch. Dès 1941, les ingénieurs BMW démarrèrent des essais pour étudier l'injection directe et trois papillons des gaz au lieu des carburateurs.
M335 : le coureur de fond musclé pour l'autoroute
Pour atteindre sa puissance nominale élevée, la 328 devait cependant tourner à haut régime : les 80 ch étaient débités à 4500 tr/mn, le couple maxi. de 13 mkg (128 Nm) demandait un régime de 3500 tr/mn, si bien que ce moteur ne convenait pas vraiment au caractère d'une grosse berline. Or, ce fut justement le type d'automobile que BMW visait avec le type 335 qui apparut sur le marché en 1939. Sous son capot tournait un six cylindres de conception nouvelle repéré par les mêmes chiffres : le M335.
Ce propulseur de 3,5 litres de cylindrée présentait les mêmes caractéristiques de base que le petit six cylindres, à savoir entraxes inégaux des cylindres, soupapes commandées par tiges de poussoir, système d'admission et d'échappement du même côté. Il n'en différait que par des détails, comme l'entraînement des arbres à cames par pignons droits au lieu d'une chaîne à rouleaux. Présen-tant un alésage de 82 mm et une course de 110 mm, il atteignait son couple maxi. de 22,5 mkg (221 Nm) dès 2000 tr/mn. La courbe de puissance culminait à 3500 tr/mn, point où le six cylindres délivrait 90 ch. Il se prêtait ainsi à merveille à foncer pleins gaz des heures durant sur les autoroutes encore tout récents en Allemagne. L'histoire devait toutefois mettre rapidement fin à ce plaisir.
Mais dès 1945, BMW reprit ses réflexions sur de nouvelles voitures particulières et leurs moteurs. La catégorie de cylindrée comprise entre 1,2 et 1,5 litre et des puissances entre 50 et 60 ch apparurent appropriées. Vu l'excellente expérience acquise avec les six cylin-dres en ligne, on tabla à nouveau sur ce concept. La voiture proje-tée devant être un successeur de la 326, modèle ayant remporté un grand succès avant la Guerre, on se basa aussi sur le moteur de ce modèle. De plus, on ne s'en écarta pas trop pour pouvoir réutiliser les outillages encore existants chez les fournisseurs.
M337 : le six cylindres de la BMW 501, l'"ange baroque"
C'est pourquoi BMW lança en 1954 sa première berline d'après-guerre, la 501, avec un six cylindres. Ce dernier s'appelait M337 ; ses chambres de combustion présentaient les mêmes cotes que le moteur de la 326. Vu la mauvaise qualité du carburant - l'essence ordinaire avait un indice d'octane de 74 seulement -, le rapport volumétrique n'était que de 6,8/1. Pour augmenter cependant la puissance débitée, la culasse fut dotée de surfaces d'échappement par pression, ce qui se traduisait par une amélioration sensible de la combustion par rapport à la chambre de combustion plate habituelle jusque-là. Le carburateur vertical se vit remplacer par un nouveau carburateur inversé double corps de Solex.
Ces modifications permirent de porter la puissance maxi. à 65 ch à 4400 tr/mn, soit dix chevaux de plus que sur la 326. La prochaine étape d'évolution consista à optimiser encore la chambre de combustion et à concevoir de nouveaux pistons, un nouveau carburateur et une nouvelle tubulure d'admission. Les boulons de culasse qui, jusqu'ici, traversaient les conduits d'admission, furent remplacés par des boulons courts et des bouchons supérieurs de manière à moins perturber le flux d'admission. Ce qui permit finalement d'atteindre 72 ch à 4400 tr/mn.
M06 : l'ancêtre à l'origine d'une histoire à succès
Ce ne fut qu'en 1968 que le premier six cylindres en ligne BMW de conception entièrement nouvelle vit le jour. Ce moteur monté incliné de 30 degrés était tellement en avance sur son temps qu'il se posa en référence dans la construction de moteurs pour plusieurs décennies. Et qu'il fut à l'origine d'innombrables victoires de course. Le M06 reposait sur les principes de conception des quatre cylindres extrêmement convoités de la "Nouvelle Classe" : culasse à flux transversal avec arbre à cames en tête et soupapes en V. Parmi les innovations, BMW présenta la chambre de combustion "à turbulence trisphérique", une évolution des chambres de combustion du quatre cylindres. Cette conception inédite produisait une turbulence définie, ce qui, liée à une concentration du mélange au niveau de la bougie d'allumage, assurait une combustion très efficace, mais pourtant douce. Associé au vilebrequin matricé logé sur sept paliers et présentant deux contrepoids par maneton, il en résultait un fonctionnement d'un formidable velouté : pour la première fois, le fonctionnement du six cylindres BMW fut comparé à celui d'une turbine. Le M06 existait en une variante de 2,5 litres et une autre de 2,8 litres, dotées toutes les deux de deux carburateurs, et il était bon pour 150 et 170 ch respectivement. Assez pour propulser la BMW 2800 dans l'élite exclusive des voitures capables de dépasser les 200 km/h. Ainsi, les six cylindres firent fureur sur les nouvelles berlines et surtout sur les coupés de la marque.
En 1971, le six cylindres apparut en une variante de 3,0 litres disponible en deux versions différentes : la version à carburateur s'appelait M21 et délivrait 180 ch. Le nec plus ultra, par contre, s'appelait M20 ; il était muni de l'injection électronique toute nouvelle à l'époque et débitait de généreux 200 ch sur la BMW 3,0Si. Après celui de la 2000 tii, le trois litres était le premier six cylindres BMW de série à faire appel à l'injection du carburant. Avec la berline et le coupé 3,0CSi, BMW possédait deux véritables vedettes dans le haut de gamme automobile. Suite à une réorganisation de la nomenclature, cette gamme de moteurs adopta plus tard le nom de M30.
M60 : l'archétype des six cylindres de la série 3
Après l'avoir réservé pendant plusieurs décennies aux automobiles haut de gamme, c'est en 1977 que BMW introduisit le six cylindres M60 - rebaptisé plus tard en M20 - sur les modèles 320i et 323i et, donc, dans la "petite classe".
Conçu comme un groupe hautes performances classique, c'est-à-dire pour une puissance maximale à partir d'une cylindrée minimale, ce moteur compact dont les cylindres présentent un entraxe relativement petit, a constitué la base pour une succession évolutionnaire de six cylindres en ligne, base dont le principe est resté le même jusqu'à ce jour. Pour la première fois, le vilebrequin d'un six cylindres en ligne n'était pas matricé, mais coulé. Pour obtenir une chambre de combustion compacte, les soupapes culbutées formait un angle en V de 22 degrés seulement par rapport à la verticale, au lieu de 25 auparavant.
110 millions de marks, une somme faramineuse à l'époque - voilà l'investissement que BMW avait consacré à cette nouvelle gamme de moteurs avec comme corollaire une production permettant de fabriquer les six cylindres en un nombre d'heures nettement inférieur à celui requis pour les anciens quatre cylindres. Mais les ingénieurs d'étude avaient surtout créé une nouvelle référence dans le segment de la série 3 : "Ce qui est particulièrement convaincant c'est la manière dont la puissance est débitée", s'enthousiasma l'une des principales revues automobiles en Europe. "C'est presque sans vibrations et avec un merveilleux velouté que ce petit moteur monte en régime jusqu'à atteindre le nombre de tours maxi., accompagné d'une sonorité vigoureuse, mais jamais agressive."
Ce jugement fut enregistré avec une grande joie, même s'il ne pouvait pas surprendre. Le président du Directoire de l'époque, Eberhard von Kuenheim, ne disait-il pas déjà à la présentation des 320i et 323i : "Nous savons exactement pourquoi nous ne construisons pas de cinq cylindres, et nous savons aussi pourquoi nous n'avons pas développé un moteur à cylindres en V, mais un six cylindres en ligne." Car seul un six cylindres en ligne parfaitement équilibré en matière de vibrations - ce sont les lois de la physique qui l'enseignent - permet d'atteindre une régularité et un silence de fonctionnement d'un tel niveau.
M88 : du punch pour la M1
Un an plus tôt déjà, le développement d'une voiture de sport entièrement à part avait commencé dans la plus grande discrétion : la BMW M1 qui devait faire fureur dans le monde entier en 1978. Le bolide à moteur central était animé par un six cylindres en ligne de 3,5 litres transmettant une puissance de 277 ch aux roues arrière. Ce moteur appelé M88 reposait sur le bloc du M06 construit en grande série et possédait une culasse à quatre soupapes par cylindres, ce qui était à l'époque une rare exception. Cette culasse était divisée en deux : la partie inférieure formait la chambre de combustion et le circuit d'eau, alors que la partie supérieure comprenait les logements de l'arbre à cames et les poussoirs à coupelle. Six papillons individuels se trouvaient à l'extrémité des six tubulures d'admission, et l'alimentation était assurée par un système d'injection mécanique fourni par Kugelfischer.
Pour la course, le M88 repassait entre les mains des motoristes. L'équipant d'un nouvel arbre à cames, de soupapes plus grandes, de pistons matricés et d'autres détails, ceux-ci poussaient sa puissance à 470 à 490 ch afin qu'il propulse les bolides de course de la série "Procar". Grâce à d'autres mesures d'optimisation et à deux turbocompresseurs, la puissance atteignit finalement 850 à 950 ch. De 1983 à 1989, une variante "civilisée" du M88 (286 ch) tournait aussi sous le capot de la M635CSi et de la M5.
M102 : le turbo catapulte la 745i à la pointe de puissance
Mais revenons aux moteurs de série. En 1977, la première série 7 fit son apparition en tant qu'alternative sportive dans la catégorie de grand prestige. En 1979, la 732i fut la première voiture de série au monde à disposer d'une gestion moteur électronique. Mais le fleuron de la gamme s'appelait 745i. Lancée en 1980, elle possédait un six cylindres turbocompressé de 252 ch. Le deuxième et le troisième chiffre du nom, qui jusque-là renseignaient sur la cylindrée du moteur, symbolisaient ici l'équivalence avec un moteur atmosphérique de 4,5 litres. En effet, le six cylindres turbo de 3,2 litres permettait des performances routières alors inégalées dans le segment des limousines. Le 3,2 litres servit de base au moteur turbo M102 jusqu'en 1982, avant d'être remplacé par le 3,5 litres pour le M106 de puissance identique. A l'exception des pistons, du taux de compression abaissé à 7,0/1 et aux soupapes d'échappement réalisées en Nimonic, les moteurs de base étaient identiques. Les collecteurs d'échappement étaient
en un matériau à haute résistance thermique et leur étanchéité au niveau du raccordement sur la culasse était assurée par des bagues de métal remplies de gaz. En plus des fonctions habituelles, la commande électronique numérique du M106 comprenait un régulateur anticliquetis et un réglateur de la pression de suralimentation, et elle était de plus capable de communiquer avec la commande de la boîte automatique.
Dès 1983, l'on se pencha aussi sur les évolutions possibles du petit six cylindres, du M60 lancé sur la série 3 en 1977 et rebaptisé plus tard en M20. Ainsi, l'on étudia des culasses à deux, trois et quatre soupapes par cylindre, des carters en fonte grise et en aluminium ainsi que de nouvelles commandes pour la distribution.
M50 : VANOS, marque distinctive d'une technologie moteur ultramoderne
En 1989, les travaux d'étude finirent par déboucher sur la gamme des moteurs M50, qui fêta sa première sur la 520i et intégrait toute une série d'innovations importantes. Ainsi, la culasse était à quatre soupapes par cylindre, l'arbre à cames et les poussoirs à coupelle avec rattrapage hydraulique du jeu des soupapes étaient logés dans un carter appelé porte-arbre à cames. Le système d'admission en matière plastique fut la première au monde à être moulé selon un procédé dit à noyaux perdus. Autre nouveauté inédite : l'allumage à "distribution statique" faisant appel à une bobine individuelle pour chaque cylindre.
L'année 1992 fut une étape importante pour l'évolution du M50 : grâce au VANOS - abréviation du terme allemand désignant le calage variable des arbres à cames ("Variable Nockenwellen-Spreizung") - un système permettant de régler l'arbre à cames d'admis-sion et, par là, le début et la fin de l'ouverture des soupapes, du "retard" vers l'"avance" et vice versa, entrait dans la fabrication de grande série : une première dans l'histoire de l'automobile. Grâce à cette modification de la distribution, il est possible d'adapter le cycle de charge et la combustion de manière optimale au régime et à la charge du moteur. L'intervention requise à cet effet se fait entre le pignon de la chaîne de commande et l'arbre à cames au moyen d'un vérin de réglage relié à un arbre cannelé à denture droite et hélicoïdale et pouvant se déplacer axialement. Le déplacement axial sur cette rampe hélicoïdale modifie la position relative du vilebrequin par rapport à l'arbre à cames et, donc, le moment d'ouverture des soupapes. La durée d'ouverture et la levée des soupapes, quant à elles, restent constantes. Ce système a un effet bénéfique sur le comportement du moteur à la consommation et à l'échappement qui connaît une amélioration significative, ainsi que sur le couple nettement plus corsé dans la plage des régimes inférieurs les plus importants dans l'utilisation pratique.
M52 : le premier six cylindres BMW tout aluminium
En 1994, un carter-moteur en aluminium avec des fûts de cylindres ayant subi un traitement Nikasil vint se substituer sur le M52 au carter en fonte grise, réduisant ainsi son poids de moitié. Pour réduire les frottements, les ingénieurs avaient fourni un travail de grande précision : bielles longues, pistons de construction allégée, tiges de soupapes minces et ressorts de soupapes simples firent leur entrée. Les motoristes BMW avaient prêté une attention particulière aux "entrailles" de la culasse identique sur tous les six cylindres de la marque. Ainsi, avant d'être monté dans la culasse, chaque arbre à cames passa désormais sur la table de mesure pour être équilibré afin de tourner sans bruit ni vibrations. Les masses d'équilibrage furent disposées avec tant d'habileté que le poids de l'arbre à cames restait inchangé. Quatre ans plus tard, en 1998, le M52 entièrement retravaillé fit ses débuts avec la nouvelle berline série 3. Il disposait alors du système dit double VANOS. Par rapport aux variantes dites
"tout ou rien", techniquement plus simples de ce système de calage et n'offrant que deux réglages de l'arbre à cames d'admission, le calage se faisait désormais en continu et sur toute la plage des régimes, en intervenant de plus sur l'arbre à cames d'échappement. Un système d'admission à résonance fut introduit avant tout pour augmenter encore le couple aux bas régimes.
M54 : le six cylindres reste la référence
Au début du nouveau millénaire, BMW reste fidèle au concept du six cylindres en ligne. Le M52 s'est vu retravailler de fond en comble pour le mois de juin 2000. Il s'appelle désormais M54 et sera dans un premier temps limité à la variante de 3,0 litres de cylindrée d'une puissance de 170 kW (231 ch). En plus d'un gain de puissance et de couple, le respect anticipé des valeurs limites stipulées par les normes antipollution D4 et ULEV comptait parmi les principaux objectifs fixés aux ingénieurs d'étude.
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