vignette|Un tramway à cheval de 1877, en Suède, première moitié du . Le cheval-vapeur est une unité de puissance ne faisant pas partie du Système international d'unités, qui exprime une équivalence entre la puissance fournie par un cheval tirant une charge et celle fournie par une machine de propulsion à vapeur ou un moteur à combustion. Le cheval était, du fait de son utilisation massive, la référence de puissance des attelages avant l'avènement de la propulsion mécanique. Ainsi, en 1879, les d'omnibus de Paris requéraient l'entretien de ..
Symboles et définitions L'abréviation est : ch pour le cheval-vapeur français« cheval-vapeur », sur Larousse.fr (consulté le ).. Il ne faut pas la confondre avec la notation « CV » du cheval fiscal ; hp () pour le cheval-vapeur britannique ; PS () pour le cheval-vapeur allemand ; pk () pour le cheval-vapeur hollandais ; Л.С. () pour le cheval-vapeur russe ; CV (, , ) pour le cheval-vapeur italien, espagnol et portugais.
Dans les pays précédents (sauf le Royaume-Uni), sa définition est la même : = = .
Définitions principales Dans les deux cas, la puissance est celle fournie par un cheval qui soulève une charge de masse à la vitesse verticale . On note l'accélération de la pesanteur. Cette puissance s'exprime ainsi : .
Dans l'ancien système en France vignette|Illustration de la définition du cheval-vapeur. Le cheval-vapeur n'est pas une unité du système métrique actuel (système SI), mais d'un système d'unités associant le mètre au kilogramme-force (ou kilogramme-poids). Dans cet ancien système, l'unité de puissance est le kilogrammètre par seconde, correspondant au travail effectué par une masse de tombant de en dans un champ de pesanteur uniforme. Le cheval-vapeur français a été défini comme valant exactement , soit la puissance nécessaire pour soulever (verticalement) un poids de (le poids d'un objet étant confondu avec sa masse) en sur une hauteur de : = 75 [kg poids] × 1 [mètre] / 1 [seconde] = .
La (CGPM) en 1901 adopte une valeur normale de l'accélération de la pesanteur égale à . Cette valeur conventionnelle servait de référence pour la définition du kilogramme-force, cette dernière unité étant maintenant abolie..
Le poids (force) exprimé en newtons (N) d'une masse de est égal à : masse multipliée par accélération de la pesanteur = (masse) × (accélération de la pesanteur) = . Ainsi, exprimé en watts, étant la puissance associée au déplacement d'une force de sur une longueur de parcourue en , le cheval-vapeur vaut : le poids (force) d'une masse de vaut : 75 [kg] × [m/s] = ; le cheval-vapeur représente : [N] × 1 [m] / 1 [s] = .
Dans le système impérial britannique vignette|Schématisation du hp.
Le (hp), cheval-vapeur en système anglo-saxon, dit « impérial », se calcule comme suit :
avec : = 550 livres (une livre = ) ; = 1 pied par seconde (un pied = ) ;
d'où on déduit : 1 HP = 745,699872 W
La définition de l'unité a été effectuée par James Watt à partir de la puissance nécessaire pour faire tourner un moulin à grain de de diamètre avec une force résistante équivalente à à une vitesse de par heure. L'application numérique fait par minute, arrondis à par minute, soit par seconde.
La définition anglaise est le déplacement, à la surface de la Terre, d'environ dans un sens opposé au champ de gravitation terrestre à une vitesse de .
Il existe également différentes dénominations spécifiques selon le point auquel la puissance est mesurée. Ainsi, le , abrégé en « shp », désigne la puissance s'exerçant sur l'arbre de transmission d'une hélice de bateau ou d'avion ou d'un rotor d'hélicoptère.
Puissances SAE, DIN et CUNA Plusieurs écoles coexistent pour mesurer la puissance du moteur d'une automobile. DIN En Europe, la principale norme a été établie par le (Institut allemand de normalisation, fondé en 1917 à Berlin) plus connu sous son sigle DIN. Il s'agit de la norme (le cheval-vapeur allemand s'appelle , et son symbole est « PS »). La puissance est mesurée à l'embrayage, avec le moteur de série équipé de tous ses accessoires et de ses échappements.
CUNA En Italie, le cheval-vapeur est calculé selon la norme italienne CUNA (). Cette norme est restée en vigueur jusqu'à l'utilisation du kilowatt. Elle était comparable à la norme américaine SAE où la puissance du moteur est déterminée sur banc de test mais, contrairement à la norme SAE, avec tous les accessoires nécessaires à son fonctionnement, comme la pompe à eau et l'alternateur/dynamo, mais sans filtre à air et sans système d'échappement complet. Tous les étalonnages et accessoires devaient être identiques à ceux des moteurs de série. La puissance était de fait très légèrement supérieure à celle déterminée avec la norme DIN.
Exemple : la Fiat 127 (1ère série de 1971) avait 47 ch (34 kW) selon le norme CUNA et 45 ch (33 kW) selon la norme DIN.
SAE Aux États-Unis, la norme a été établie par la SAE International (Société des ingénieurs de l'automobile, fondée en 1905 à Troy, dans le Michigan). La puissance est mesurée à la sortie du vilebrequin de façon à éviter les pertes de puissance dues à la transmission. À l'origine, la SAE avait établi un protocole de mesure sur banc avec un moteur de série dépourvu de ses accessoires, et parfois même de ses échappements. La puissance était mesurée en (bhp), ou puissance au frein. Le frein était à l'époque un outil permettant de déterminer la puissance du moteur. Le frein était connecté directement en sortie du moteur, le couple et le régime appliqués au frein étaient mesurés pour déterminer la puissance maximale du moteur.
La norme SAE était la J245. Il en résultait que les chiffres de puissance annoncés en norme SAE étaient largement supérieurs à ceux exprimés en norme DIN ou CUNA. Mais, en 1972, la SAE a revu sa copie en édictant la norme J1349. Désormais, la puissance est mesurée avec le moteur équipé de ses accessoires et de ses échappements de série, ce qui a diminué l'écart entre les normes.
Par ailleurs, les protocoles de mesure étant différents, il n'existe pas de règle de conversion simple pour passer d'une mesure à l'autre.
Définitions alternatives Cheval-vapeur nominal Le cheval-vapeur nominal (CVN) est une règle empirique du début du utilisée pour estimer la puissance des moteurs à vapeurDavid K. Brown (1990), Before the ironclad, Conway, 188 ., qui suppose une pression de vapeur de ()William Henry White (1882), A Manual of Naval Architecture, , John Murray, 520..
Cheval-vapeur nominal = 7 × surface du piston en pouces carrés × vitesse équivalente du piston en pieds par minute/.
Pour les bateaux à roues à aubes, la règle de l'amirauté voulait que la vitesse du piston en pieds par minute soit égale à . Pour les vapeurs à vis, on utilisait la vitesse prévue du piston.
La course (ou longueur de course) était la distance parcourue par le piston mesurée en pieds.
Pour que la puissance nominale soit égale à la puissance réelle, il faudrait que la pression moyenne de la vapeur dans le cylindre pendant la course soit de () et que la vitesse du piston soit celle générée par la relation supposée pour les bateaux à roues à aubes.
La Marine française utilisait la même définition du cheval-vapeur nominal que la Royal Navy.
Cheval-vapeur indiqué La puissance indiquée (, ihp) est la puissance théorique d'un moteur alternatif s'il est totalement exempt de friction dans la conversion de l'énergie du gaz en expansion (pression du piston × déplacement) dans les cylindres. Elle est calculée à partir des pressions développées dans les cylindres, mesurées par un dispositif appelé « indicateur de moteur » . Au fur et à mesure que le piston avance dans sa course, la pression contre le piston diminue généralement, et l'indicateur génère généralement un graphique de la pression en fonction de la course dans le cylindre de travail. Ce graphique permet de calculer la quantité de travail effectuée pendant la course du piston.
Le cheval-vapeur indiqué était une meilleure mesure de la puissance du moteur que le cheval-vapeur nominal (CVN) car il tenait compte de la pression de la vapeur. Mais contrairement aux mesures ultérieures telles que la puissance sur l'arbre (, shp) et la puissance au frein (, bhp), elle ne tenait pas compte des pertes de puissance dues aux frottements internes de la machine, tels que le glissement du piston dans le cylindre, le frottement des roulements, le frottement de la transmission et de la boîte de vitesses.
Cheval-vapeur au frein Le cheval-vapeur au frein (, bhp) est la puissance mesurée à l'aide d'un dynamomètre de type frein (charge) à un endroit précis, tel que le vilebrequin, l'arbre de sortie de la transmission, l'essieu arrière ou les roues arrière..
En Europe, la norme DIN 70020 teste le moteur équipé de tous les accessoires et le système d'échappement tel qu'il est utilisé dans la voiture. L'ancienne norme américaine (SAE , appelée « bhp ») utilisait un moteur sans alternateur, sans pompe à eau et sans autres composants auxiliaires tels que la pompe de direction assistée, le système d'échappement silencieux, de sorte que les chiffres étaient plus élevés que les chiffres européens pour le même moteur. La norme américaine plus récente (appelée SAE ) teste un moteur avec tous les composants auxiliaires.
Le frein désigne le dispositif utilisé pour fournir une force/charge de freinage égale afin d'équilibrer la force de sortie d'un moteur et de le maintenir à une vitesse de rotation souhaitée. Lors des essais, le couple de sortie et la vitesse de rotation sont mesurés pour déterminer la puissance au frein. À l'origine, la puissance était mesurée et calculée à l'aide du « diagramme indicateur » (une invention de James Watt à la fin du ), puis d'un frein de Prony relié à l'arbre de sortie du moteur. Les dynamomètres modernes utilisent l'une des nombreuses méthodes de freinage pour mesurer la puissance au frein du moteur, c'est-à-dire la puissance réelle du moteur lui-même, avant les pertes dans la chaîne cinématique.
Cheval-vapeur sur l'arbre La puissance sur l'arbre (, shp) est la puissance délivrée à l'arbre d'une hélice, à l'arbre d'une turbine ou à l'arbre de sortie d'une transmission automobile« shaft horsepower », sur en.oxforddictionaries.com (consulté le 22 février 2023).« shaft horsepower », sur dictionary.com (consulté le 22 février 2023).. La puissance sur l'arbre est une valeur nominale courante pour les turbomoteurs et les turbopropulseurs, les turbines industrielles et certaines applications marines.
La puissance équivalente sur l'arbre (, eshp) est parfois utilisée pour évaluer les turbopropulseurs. Elle comprend la puissance équivalente dérivée de la poussée résiduelle du jet à l'échappement de la turbine. On estime que () de poussée résiduelle du jet sont produites à partir d'une unité de puissance..
Cheval-vapeur électrique Le cheval-vapeur électrique européen est défini comme valant = , tandis que le cheval-vapeur électrique britannique vaut = .
Cheval-vapeur de chaudière Les États-Unis ont un « cheval-vapeur de chaudière » (, ou bhp) défini comme étant la puissance requise pour faire évaporer (livre impériale britannique) d'eau à () par heure sous une atmosphère normale. La valeur exacte dépend de la chaleur d'évaporation utilisée, mais la plus fréquente est , ce qui donne : ~ (soit un peu plus de ).
Le a été utilisé depuis 1876 pour mesurer la puissance des machines à vapeur et n'est plus utilisé de nos jours.
Équivalence avec la puissance développée par un cheval et un humain