Les compresseurs et la multi-suralimentation

Bonjour, nous avons parlé la semaine dernière des turbocompresseurs, le moyen de suralimentation le plus répandu actuellement. Comme on me l’a souligné, ce n’est pas LE seul système utilisé ! Une des autres manières de suralimenter un moteur est d’utiliser un compresseur.

  • Le compresseur

La principale différence avec un turbocompresseur est qu’un tel compresseur est entraîné directement par le moteur : une courroie, une chaîne, … sur le vilebrequin fait l’affaire. On n’a donc pas de turbine à l’échappement. En anglais on appelle ça un supercharger et ça nous fait penser aux monstres d’outre-atlantique :

Les deux principaux types de compresseur utilisés dans l’automobile sont :

les compresseurs à lobes (ou roots)

Le schéma ci dessous nous montrent la structure d’un tel système :

1 et 3 : éléments en rotation / 2 : corps de la pompe / a : admission / b : air pompé / c : sortie de la pompe

Photo roots wiki Les compresseurs et la multi suralimentation

Compresseur à lobes

Il existe des modèles avec 2 lobes (comme sur le schéma) mais aussi 3 ou 4. Ce type de compresseur est entrainé à une vitesse supérieure à celle du moteur, l’air est poussé dans le collecteur d’admission et c’est à ce moment que la pression augmente. On peut trouver ce type de compresseur dans certaines Mercedes Kompressor, Jaguar XKR, Range Rover Supercharged, Audi V6, …

les compresseurs à vis (ou lysholm)

Contrairement aux compresseurs évoquées précédemment, l’augmentation de pression est réalisée directement dans le système. La courte animation ci-dessous nous montre le principe de fonctionnement :

Tout réside dans le fait que le volume entre les deux vis est réduit au fur et à mesure que l’air avance, ce qui entraine une augmentation de la pression. Par rapport au compresseur de type roots, le compresseur Lysholm a un rendement beaucoup plus élevé (frottements réduits, pas de fuites possibles, …). C’est aussi une solution très onéreuse et n’est donc utilisée que dans certaines applications haut de gamme, notamment chez Mercedes AMG avec le V8 5.5l Kompressor !

Le principal avantage d’un compresseur est, comme on l’a dit précédemment, qu’il est actif à faible régime et qu’il permet d’avoir une pression de suralimentation relativement élevée à ce régime (et donc un couple élevé). Cependant, il a de nombreux inconvénients et c’est la raison pour laquelle le turbocompresseur est autant présent dans la rue :

– un encombrement assez important

– un prix élevé (certes lié à une production faible)

– une pression de suralimentation relativement faible

– un rendement lui aussi faible (puissance importante prélevée sur le vilebrequin)

– bruit

Il trouve sa place sur des voitures pour lesquelles le prix n’est pas un réel problème et sur lesquels on peut se permettre de prélever quelques kW pour améliorer le plaisir de conduite…

  • Compresseur + turbocompresseur

OU ALORS, pourrait-on associer un compresseur et un turbocompresseur pour bénéficier des avantages des deux systèmes ?  Oui et vous le savez par l’intermédiaire des moteurs TSi de VW (parlons-en pendant qu’ils sont encore vendus) ! C’est également ce qui avait été installé sur la Lancia Delta S4 qui roulait en groupe B en 1986 :

Photo jackkrauser lanciadeltaS4588202 533x400 Les compresseurs et la multi suralimentation

Lancia Delta S4

Petit schéma d’explication et suivons les flèches bleues : l’air est admis via un filtre à air / il passe ensuite dans le compresseur du turbocompresseur / il passe ensuite dans un échangeur pour réduire sa température / une fois refroidi, il passe dans un compresseur de type roots/ il passe dans un second échangeur pour à nouveau réduire sa température / il peut être admis dans le moteur. On note que le moteur peut-être court-circuité et l’air peut revenir directement à l’entrée du compresseur du turbocompresseur (ça fait un peu répétition mais bon…). C’est une soupape de décharger qui a pour rôle d’éviter une montée en pression trop importante de l’air lors des levées de pied (voir pompage de l’article précédent…). On note également que le compresseur peut être lui aussi court-circuité (pointillés) dans les hauts régimes pour laisser le turbocompresseur s’exprimer.

Suivons aussi les flèches noires des gaz d’échappement : ils passent par la turbine du turbocompresseur ou alors par la waste-gate (voir article précédent !).

Photo compresseur turbo s4 Les compresseurs et la multi suralimentation

Schéma suralimentation Lancia Delta S4

C’est bien beau, mais pour quoi faire ? 450 ch à 8000 tr/min, environ 500 N.m à 5000 tr/min mais surtout un couple supérieur à 300 N.m à partir de 1200 tr/min. A tout régime, la possibilité d’en avoir sous la chaussure !

Il s’agit là d’une belle réalisation mais on sait tous que les exigences d’une voiture de compétition (agrément, durée de vie, …) sont à des années-lumière de ce que l’on attend d’un véhicule de série. C’est VW qui, en 2007 (je crois), sort son moteur 1,4 TSi (essence) doté d’un turbocompresseur et d’un compresseur. On peut désormais retrouver ce moteur sur les Polo, Golf, Scirocco, …

Photo scirocco 560x372 Les compresseurs et la multi suralimentation

VW Scirocco

Photo VW 14TSI 02 412x400 Les compresseurs et la multi suralimentation

Moteur VW 1.4 TSi

Quelques petites explications tirées de la vidéo que j’ai postée juste après et que je vous conseille de regarder. Contrairement à la Delta S4, l’air passe ici d’abord dans le compresseur de type Roots puis dans le turbocompresseur.

Photo schema TSI Les compresseurs et la multi suralimentation

Schéma suralimentation VW 1.4 TSi

Comme pour la Lancia, le moteur est équipé d’une vanne qui permet à l’air de court-circuiter le compresseur et également d’un embrayage qui permet de découpler le compresseur du moteur (et ainsi ne pas prélever de puissance inutilement). On voit sur la cartographie suivante (régime moteur en abscisse et couple en ordonnée) les zones de fonctionnements des deux systèmes. En bleu foncé, le compresseur est activé en permanence : c’est lui qui va permettre d’avoir une pression de suralimentation correcte et d’avoir un fort couple à bas régime. Dans la zone en bleu clair, le compresseur est activé dans certains cas. Dans la zone verte, le compresseur est court-circuité et seul le turbocompresseur va faire la suralimentation.

Photo carto tsi Les compresseurs et la multi suralimentation

Cartographie suralimentation VW 1.4 TSi

Pour ce moteur 1,4l dans la version présentée, c’est 170 ch à 6000 tr/min et surtout 240 N.m de 1750 à 4500 tr/min. Pour information, un 1,4l atmosphérique c’est 75 poneys à 5000 tr/min, 120 N.m vers 3000 tr/min et pas grand chose avant…

La vidéo pour la culture :

  • Deux turbocompresseurs, deux !

Je viens donc parlé des multi-suralimentations compresseur/turbocompresseur. Toujours dans des optiques de down-sizing et de recherche d’agrément de conduite à faible régime, un « simple » turbocompresseur n’est désormais plus suffisant et on se tourne vers des moteurs bi-turbos. 是什么呢?

Le premier système sur lequel je vous propose de vous pencher est celui que PSA a installé sur son moteur Diesel 2,2l HDi : un bi-turbos séquentiel parallèle

Photo peugeot 407coupe 560x352 Les compresseurs et la multi suralimentation

Peugeot 407 Coupé

Les deux schémas ci-dessous nous expliquent le fonctionnement de ce système qui utilisent deux turbos de petite taille.

A faible régime, un seul turbo est utilisé. On voit que la vanne C est fermée : les gaz d’échappement passent uniquement dans le turbo 1. Même chose côté admission, la vanne B est fermée et l’air est donc uniquement comprimée par le turbo 1.

A plus haut régime, les gaz d’échappement passent dans les deux turbines (vanne F ouverte), et les deux turbos sont par conséquent entraînés. A l’admission, l’air passe soit par le le compresseur du turbo 1 ou 2. On a bien un fonctionnement un parallèle.

Cette méthode permet d’obtenir une pression de suralimentation correcte à faible régime (un seul petit turbo qui fonctionne). Lorsque le moteur requiert un débit d’air plus important, les deux turbos fonctionnent en parallèle.

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Schéma suralimentation PSA 2.2l HDi

Photo dW12bted4 Les compresseurs et la multi suralimentation

Courbes puissance/couple PSA 2.2l HDi

Vous avez ci-dessus le résultat obtenu pour un tel moteur : 170 ch à 4000 tr/min (ce qui n’est pas fou pour un 2,2l). L’objectif était ici d’avoir un couple important à un très faible régime (je me répète ??) : c’est chose réussie puisque ce moteur propose un couple de 400 N.m à 1500 tr/min !

BMW utilise un système différent qui a d’abord équipé la 535d (3.0l Diesel) puis la 123d (2.0d Diesel) : un bi-turbos séquentiel série.

Photo 123d Les compresseurs et la multi suralimentation

BMW 123d

Photo moteur 123d Les compresseurs et la multi suralimentation

Moteur BMW 123d (2.0l Diesel)

Le système diffère du système utilisé sur le moteur PSA car :

– les turbos sont montés en série

– les turbos ne sont pas de la même taille : un petit et un plus gros turbo se succèdent

On distingue trois phases de fonctionnement :

à faible régime : les gaz d’échappement se détendent dans la turbine du petit turbo puis une vanne évitent aux gaz de passer par la turbine du plus gros turbo. Seul le petit turbo est donc entraîné. A l’admission, l’air passe par le compresseur du gros turbo (qui ne tourne pas mais ce n’est pas grave)

à un régime moyen : les gaz d’échappement se détendent dans la turbine du petit turbo puis dans celle du plus gros turbo. Les deux turbos sont entraînés. A l’admission, l’air passe par les deux compresseurs.

à haut régime : les gaz d’échappement se détendent uniquement dans la turbine du gros turbo ; celle du petit turbo est court-circuitée car ses limites sont atteintes. Seul le gros turbo est entraîné. A l’admission, l’air passe par le gros compresseur et le plus petit est court-circuité.

Photo 535d 560x383 Les compresseurs et la multi suralimentation

Bi-turbos 535 d (système équivalent pour la 123d)

Photo courbes 123d 309x400 Les compresseurs et la multi suralimentation

Courbes couple/puissance 123d

Les objectifs pour la 123d sont ici légèrement différents de ceux de PSA :

- on a une puissance de 204 ch à 4400 tr/min (pour un 2.0l mazout…)

- un couple maxi de 400 N.m à 2000 tr/min, atteint légèrement plus tard que pour le 2.2l de PSA…

En conclusion, des systèmes de plus en plus complexes équipent nos véhicules, pour plus d’agrément de conduite, de meilleures performances et moins de consommation…

Ce sera tout pour la suralimentation, en tout cas j’espère avoir été clair !

  • Qu’est ce qu’il vous ferait plaisir pour la suite ? Photo icon smile Les compresseurs et la multi suralimentation

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Illustrations et courbes via : Wikipedia, Youtube, VW, PSA, BMW, www.rallye-stars.com