L'histoire des six cylindres en ligne BMW

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
mo-teur 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 'uvre 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'expli-quait 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 alu-minium. La
cylindrée fut portée jusqu'à deux litres, et en fonction de la puissance
requise, les chambres de combustion étaient alimen-tées 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 commençèrent 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 cepen-dant 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?auto-mobile 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
ca-ractéristiques de base que le petit six cylindres, à savoir entraxes inégaux
des cylindres, soupapes commandées par tiges de pous-soir, 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 com-bustion 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 décen-nies. 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 ve

louté : 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 nou-velle 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 rela-tivement 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 com-bustion 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
atmo-sphérique 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 régulateur 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'admission 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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Certaines parties du texte ci-dessus sont extraites de l?ouvrage en deux
volumes «Geschichte des Motors - Motor der Geschichte» («L'histoire du moteur -
moteur de l'histoire») écrit par le Dr. Karlheinz Lange, ancien directeur du
service de développement moteur chez BMW. ISDN 3-932169-04-2.