- Suralimentation :
- Le couple moteur dépend :
- de la cylindrée,
du régime de rotation du moteur,
du rapport volumétrique,
du remplissage du moteur.
- On peut augmenter le remplissage en augmentant la pression d'admission : c'est la suralimentation.
On utlise :
- le compresseur volumétrique (Roots, Volumex...),
le compresseur centrifuge,
le compresseur centrifuge entraîné par une turbine (turbo compresseur).
- La puissance développée par une machine endothermique dépend essentiellement de la quantité de chaleur qu’elle est en mesure d'émettre et de transformer en travail dans l’unité de temps : dans le cas spécifque d’un moteur volumétrique, la puissance, pour un même combustible, est proportionnelle à la quantisé d’air qu’il parvient à brûler à chaque cycle, en fait, à sa cylindrée multipliée par la densité de l’air. Ces remarques ne sont toutefois valables qu’en théorie : si l’on examine en détail le rendement d’un moteur volumétrique alternatif, on remarque que la pression moyenne effective est fonction de toute une série de rendements et plus exactement :
p.m.e = k . Rr ηb . ηl . ηm . Ιv
où k = constante dépendant du type de combustible ; Rr = richesse relative ; ηb = rendement de la combustion (qui dépend de la propagation du front de flamme et de la forme de la chambre de combustion ; ηl = rendement du cycle limite (qui dépetsd de Rr et du rapport de compression) ; ηm = rendement mécanique (qui dépend de tous les frottements internes de la machine) ; Ιv = rendement volumétrique, c’est-à-dire le rapport entre la quantité de mélange combustible qui pourrait être aspiré et la quantité qui est introduite effectivement clans le cylindre.
- De tous ces paramètres, celui qui varie le plus dans les diverses conditions de fonctionnement du moteur est le rendement volumétrique Ιv. Dans un moteur aspiré, Ιv est toujours pratiquement inférieur à 1 et ce pour divers motifs :
- - Les pertes de charge qui se produisent dans les conduits d’admission font qu’il existe une différence de pression entre les milieux externe, et interne au cylindre, à la fin de l’aspiration ;
- I ‘air aspiré a un volume spécifique qui est en général différent de celui correspondant aux données de référence (1 atm., 15°, 60 % d'humidité).
- la fraction résiduelle de gaz brûlés, qui reste dans espace de la chambre d’explosion, une fois terminée la phase d’échappement, venant à se trouver à une pression supérieure à la pression atmosphérique, se répand pendant la phase d’aspiration en occupant une partie du volume qui pourrait être occupé par la charge nouvelle,
- En ce qui concerne la densité de l’air aspiré, la nécessité de pallier à cet inconvénient s’est présentée tout d’abord pour les moteurs destinés aux avions à cause de la raréfaction de l’atmosphère qui, à haute altitude, provoque des diminutions importantes de puissance.
La première application, reconnue comme efficace, d’un dispositif pour l’alimentation forcée d’un moteur alternatif, concerne précisément les avions, et elle est due à l’Italien Anastasi qui l’expérimenta et la fit breveter pendant la Première Guerre mondiale. Le but de cette première application était uniquement de rendre indépendant le fonctionnement d'un moteur par rapport aux variations de densité de l’air sans toutefois réaliser une augmentation de puissance. En poursuivant dans ce sens, il est possible de comprimer l’air au-delà de la pression atmosphérique et d’envoyer dans le moteur un mélange air-combustible dont la densité est supérieure à celle des données de référence, Dans ce cas, la quantité en poids de l’air aspiré est supérieure à la quantité théorique la valeur de Ιv devient supérieure à 1, et on dit alors que le moteur est suralimenté,
L’idée d’alimenter un moteur avec de l’air comprimé (étudiée par Bollée, Renault et Berliet avant 1910) n’a été appliquée que relativement tard dans le domaine automobile : ce mode d’alimentation fut pratiquement expérimenté sur la célèbre Fiat 805 de Grand Prix de 1923 ; au début, il avait surtout pour but d’éliminer les pertes de charge se produisant dans les longs et sinueux conduits d’aspiration, et d’obtenir des rapports de compression réels beaucoup plus élevés que ne le permettait le dessin peu rationnel des orifices des culasses. Par la suite les meilleures conditions de fiabilité des propulseurs et les perfectionnements des techniques de suralimentation ont permis d’augmenter graduellement la pression d’alimentation, jusqu’à atteindre des valeurs de 3 à 4 atmosphères, et même au-delà.
Pour examiner les effets de la suralimentation du point de vue thermodynamique, il faut prendre en considération les deux aspects principaux de ce phénomène l’augmentation de puissance développée par le moteur en fonction du taux de suralimentation et le rendement du cycle du moteur suralimenté.
Tous les points exposés précédemment ont prouvé qu’à une augmentation de Ιv (c’est-à-dire une augmentation de poids de l’air aspiré) correspond une augmentation égale de la p.m.e. ; il est important de préciser que cette augmentation est provoquée par le seul fait d’utiliser une plus grande quantité de carburant, indépendamment de la valeur du rapport de compression. En effet, lorsqu’on veut obtenir des rendements maximaux, le rapport de compression dépend uniquement du type de carburant employé et de ses caractéristiques antidétonantes c’est pourquoi, lors de l’établissement du projet d’un moteur suralimenté, le rapport volumétrique de compression doit être calculé de façon à ce que la pression maximale, à la fin de chaque phase de compression, ne soit jamais supérieure à celle que peut supporter, dans les mêmes conditions, le carburant employé. C’est ainsi que le moteur Porsche Turbo, qui a une pression maximale de suralimentation de 0,8 kg/cm2, a un rapport de compression volumétrique de 6,5 : 1, rapport très bas de façon que la pression maximale à la fin de la phase de compression soit, en tout état de cause, inférieure à celle que peut supporter le carburant vendu dans le commerce. Lorsque dans les compétitions on était libre de choisir la qualité du carburant que l’on voulait utiliser, il était avantageux de se servir du compresseur pour pouvoir atteindre les compressions très élevées permises par les mélanges spéciaux employés.
Le moteur BRM à seize cylindres de 1,5 I de 1952, qui représentait une réalisation d’avant-garde dans ce domaine, avait un rapport de compression volumétrique de 7,5 : 1, avec une pression maximale de suralimentation égale à 4,7 atm, et parvenait à développer 480 ch.
Un autre aspect, cette fois négatif, de la suralimentation, est constitué par la diminution du rendement qui se transforme dans la pratique en une augmentation de la consommation spécifique. Si le rendement du cycle se maintenait constant, la puissance développée serait proportionnelle à la quantité de carburant, qui peut être brûlée par le moteur en réalité le rendement diminue avec l’augmentation du taux de suralimentation et nous allons es examiner les causes.
Dans un moteur volumétrique, les phases de compression et d’expansion sont identiques, c’est-à-dire qu’il se produit durant ces phases des variations de volume identiques (égales à la cylindrée) ; dans un moteur suralimenté une partie de la compression est effectuée par l’installation de suralimentation (dans la pratique une compression s’effectue en deux temps, l’un à l’extérieur de la machine, l’autre à l'intérieur), cependant que l’expansion reste uniquement celle qui est possible à l’intérieur du cylindre. En définitive, les gaz brûlés subissent, dans ce cas, une expansion incomplète à l’intérieur du cylindre moteur et sont expulsés alors qu’ils possèdent encore une importante énergie résiduelle (thermique et de pression).
L’examen de ces faits prouve que les prestations d’un moteur suralimenté ne peuvent pas être comparées à celles d’un moteur aspiré, si elles sont évaluées uniquement en fonction de la charge aspirée. Lorsque les règlements sportifs ont cherché à établir une comparaison entre ces deux types différents de propulseurs, on a toujours établi un handicap entre les diverses cylindrées sur la base de considérations empiriques, en tenant compte des puissances hypothétiques que l’on aurait pu obtenir avec les deux types de propulseurs.
C’est pourquoi il en résulte des valeurs très différentes du rapport cylindrée-moteur aspiré - cylindrée-moteur suralimenté, et plus exactement 1,5 pour les voitures de Grand Prix de la période 1938-1948, 3 pour la formule 1 de 1947 à 1953 (et pendant la même période, un rapport 4 pour la formule 2), 3,33 pour la formule 1 de 1954 à 1960 et, à partir de 1966, le rapport 2 pour la formule 1 et 1,4 pour les autres catégories.
Indépendamment d’une réglementation plus ou moins favorable, le succès ou l’insuccès de la suralimentation a été également le résultat des caractéristiques fonctionnelles du compresseur.
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Les premières installations d’alimentation forcée des moteurs automobiles étaient constituées par des compresseurs des types Roots, Shorrock ou centrifuges à commande mécanique, qui étaient généralement placés en aval du carburateur ; étant donné les difficultés rencontrées pour obtenir une carburation régulière en fonction des variations de la densité de l’air, ce système, surtout dans le cas de compression à plusieurs étages, augmentait considérablement la complexité du moteur en diminuant le rendement mécanique à cause de la puissance absorbée par le compresseur. Dans ces conditions, le fait d’imposer l’utilisation de carburants de qualité courante, en empêchant d’obtenir de hautes pressions d’alimentation, marqua l’échec de la suralimentation dans les compétitions.
Deux causes différentes ont provoqué, au cours des années soixante-dix, un réveil d’intérêt concernant la suralimentation dans les compétitions de la part des firmes européennes (aux Etats-Unis, les voitures destinées à Indianapolis l’avaient adoptée sans interruption de 1924 à 1929, puis de 1947 à nos jours):
- un coefficient favorable (pas particulièrement pour la formule 1 qui oppose les 1 500 cm3 suralimentés aux 3000 cm3 aspirés, mais pour les autres groupes où le coefficient 1,4 oppose à un moteur 3 000 cm3 aspiré, un moteur suralimenté de 2 140 cm3) et surtout la mise au point de systèmes très efficaces de suralimentation avec turbocompresseur à gaz d’échappement. Ce dispositif n’est pas nouveau étant donné qu’il a trouvé ses premières applications dans le domaine aéronautique au cours des années vingt (compresseur Sherbondy, Moss et Rateau) l’efficacité toutefois de ces solutions, qui était liées au rendement mécanique et thermodynamique du groupe turbocompresseur, ne concernait que des masses importantes de gaz et provoquait de notables surpressions à l’échappement, qui diminuaient le rendement du moteur. Les installations actuelles de suralimentation, s’avèrent compétitives justement à cause de leur excellent rendement et de leur relative simplicité.
- Le fonctionnement du turbocompresseur est le suivant : les gaz d’échappement expulsés du cylindre sont convoyés à travers un collecteur jusqu’à la turbine cette dernière, en utilisant la température et la pression résiduelle des gaz d’échappement, récupère une partie de l’énergie qui serait perdue par suite de l’expansion incomplète et la met à profit pour actionner le compresseur de type centrifuge fixé sur le même arbre,
Une soupape de sécurisé dont le tarage fixe la pression maximale de suralimentation est placée sur le conduit d’aspiration ; toutefois, pour éviter une perte inutile de travail en comprimant davantage d’air qu’il n’en est effectivement aspiré, il existe sur le conduit d’échappement une soupape by-pass qui, lorsque la pression à l’aspiration dépasse une certaine limite, renvoie à l’extérieur une partie des gaz d’échappement en abaissant ainsi la vitesse de la turbine et du compresseur.
Alors que dans les compresseurs actionnés mécaniquement le débit et la pression sont liés directement au régime de rotation, et que les meilleures prestations sont obtenues à un régime constant, dans le cas du turbocompresseur la pression est fonction du volume des gaz d’échappement de sorte que, en calculant exactement les données du groupe compresseur, il est possible d’obtenir la pression nécessaire même à bas régime. Il est également possible et utile de mettre à profit l’inertie du groupe, qui est importante étant donné que la vitesse de rotation oscille entre 30 000 et 100 000 tr/mn. A cet effet, une soupape est placée en aval du compresseur qui, en s’ouvrant lorsqu’on soulève le pied de l’accélérateur, laisse échapper l’air comprimé en évitant que la formation d’une contrepression dans le collecteur ne ralentisse le turbocompresseur. De cette façon, au moment de l'accélération suivante, la vitesse résiduelle est suffisante à rétablir assez rapidement une pression élevée,
Sur la Porsche 911 Turbo, un dispositif légèrement plus complexe pourvoit en outre au recyclage de l’air comprimé (qui est renvoyé en amont du compresseur), créant ainsi un circuit fermé,
Ce moyen a été adopté en tenant compte que le régulateur de l’installation d’injection est placé en amont du compresseur et qu’il effectue le dosage en fonction de l’air aspiré. Lorsque l’accélérateur n’est pas actionné et que le papillon eut fermé, le turbocompresseur continue à recycler l’air ; celui-ci n’étant pas aspiré de l’extérieur, on interrompt ainsi l’arrivée du carburant.
Dans les versions plus poussées (par exemple la Porsche 908/4 Turbo et l’Alpine A 442 Turbo), afin d’améliorer l’efficacité de la suralimentation, il existe un échangeur de chaleur (réfrigérateur) placé avant le collecteur d’aspiration : le fait de refroidir l’air comprimé en augmente la densité et diminue le travail nécessaire pour obtenir la pression requise. Ce dispositif est valable uniquement pour des pressions élevées, toutes les fois que les avantages dérivant de l’augmentation de rendement du compresseur priment sur les désavantages dus aux pertes de charge provoquées par le réfrigérateur.
Dans le cas où la carburation de l’air se produirait avant son arrivée au compresseur, il n’est pas possible de faire suivre la réfrigération étant donné qu’il se produirait des condensations et des accumulations de combustible ; c’est pourquoi on a eu recourt, dans le passé, à des injections de petites quantités d’eau dans le bus d’abaisser la température et d’obtenir un certain effet antidétonant,
Du point de vue mécanique, la suralimentation provoque une augmentation des contraintes de toutes les parties composant le propulseur ; il se produit plus particulièrement une surchauffe de la culasse, du fond du piston, des soupapes d’échappement et, partant, de l’huile de lubrification. Par contre, le système bielle-manivelle n’est pas soumis à un effort supérieur du fait de la pression très élevée atteinte pendant la combustion, d’autant plus que, dans les petits moteurs rapides, les contraintes maximales sont dues à l’inertie du couple bielle-piston ; par la suralimentation, on augmente l’effort de la bielle en phase de compression, mais on constate une légère diminution de l’effort de traction étant donné que la pression existant à l’intérieur du cylindre est toujours supérieure à celle existant dans la partie inférieure du piston (dans la pratique on se rapproche du type de contrainte des moteurs à deux temps).
Pour ces motifs, la suralimentation a été adoptée avec succès sur presque toutes les voitures sportives ou de hautes performances des années trente ; tous ces types de moteurs pouvaient être équipés, pendant de brèves périodes, d’un compresseur permettant d’obtenir une puissance supérieure sans que cela ne porte préjudice à leur bon fonctionnement et à leur longévité.
La suralimentation a été abandonnée dans tes fabrications de série surtout à cause de la consommation élevée et des difficultés que l’application du compresseur représentait pour l’ensemble du groupe propulseur. Un certain nombre d’essais sporadiques ont été effectués dans le but d’obtenir des moteurs de série, destinés à des applications particulières, une puissance élevée. Dans ces cas, la simplicité du groupe autonome turbocompresseur et sa légèreté en ont rendu avantageuse l’utilisation par rapport aux opérations complexes et coûteuses d’une élaboration du propulseur.
En résumé, la suralimentation s’avère avantageuse lorsque, à parité de dimensions et de poids du propulseur, on veut obtenir une puissance élevée ; le cas typique de cette conception est constitué par les moteurs d’avion dans lesquels l’encombrement réduit et la légèreté, de même que la puissance élevée, constituent des caractéristiques fondamentales ; la suralimentation est également employée couramment sur les moteurs utilisés pour la traction ferroviaire et sur ceux des véhicules modernes de transport routier,
Sur les voitures de production courante, l’application d’un compresseur de suralimentation permet d’obtenir une puissance et surtout des valeurs de couple très élevées par la seule modification du rapport de compression volumétrique ; cette opération est avantageuse pour pallier une consommation élevée ainsi qu’une usure rapide du moteur et de la transmission.
Les plus récentes enquêtes faites dans ce domaine par BMW et par Porsche, même dans la production de série, poursuivent également un autre but : celui d’obtenir d’excellentes prestations d’un moteur de type conventionnel et de respecter en même temps les toutes récentes dispositions contre la pollution due aux gaz d’échappement. Grâce au système à turbocompresseur, en effet, il est possible de maintenir le même niveau de puissance d’un moteur très poussé sans émission de gaz d’échappement accusant des pourcentages élevés d’hydrocarbures non brûlés.
Cela est dû au fait qu’il est possible de faire fonctionner correctement un moteur même avec une carburation relativement pauvre ; de plus, la température élevée des gaz d’échappement et le brassage qu’ils subissent dans la turbine facilitent l’oxydation totale des hydrocarbures résiduels.
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