La suralimentation

Depuis plusieurs dizaines d’années, les systèmes de suralimentation ont fait leur apparition sur les véhicules de série. Tout d’abord peu fiables, les turbocompresseurs font désormais partie du paysage automobile et équipent la quasi totalité des moteurs Diesel et une petite partie (grandissante) des moteurs Essence.

La suralimentation, c’est aussi la F1 dans les années 80, ici avec la Williams FW11

A quoi sert la suralimentation ? Quels sont les moyens utilisés ? Quelles sont les limites ?

1. Objectifs de la suralimentation

Le but de la suralimentation est simple : augmenter la puissance d’un moteur en augmentant le couple qu’il fournit.

Pour augmenter le couple d’un moteur, il faut augmenter la masse de carburant brûlée dans le cylindre. Or, on sait que pour brûler une certaine masse de carburant, il est nécessaire de faire rentrer dans le cylindre une masse d’air donnée (obtenue par la fameuse condition stœchiométrique). Si on augmente la quantité de carburant, il faut augmenter proportionnellement la masse d’air. Deux solutions s’offrent alors à nous :

– augmenter la cylindrée  du moteur

– faire rentrer une masse d’air plus importante dans une cylindrée identique

Le volume d’air qui rentre dans un cylindre est toujours le même, c’est une caractéristique. Un système de suralimentation a donc pour but d’augmenter la masse d’air pour un volume donné : on cherche à augmenter la masse volumique de l’air.

La loi des gaz parfait (attention !) nous donne : P.V=m.r.T donc m/V (masse volumique) = P/(r.T)

On voit donc facilement que pour augmenter la masse volumique de l’air, il faut que :

– P augmente

– T n’augmente pas pour ne pas inverser la tendance

Or, la compression de l’air s’accompagne par une augmentation de sa température : pour obtenir des performances optimales du système de suralimentation, il est donc nécessaire de joindre un système qui permet de diminuer la température de l’air (un échangeur).

Plusieurs technologies existent aujourd’hui pour réaliser une telle fonction. Je vous propose d’aborder  celle du turbocompresseur qui est la solution la plus répandue actuellement

2. Le principe de fonctionnement d’un turbocompresseur

Vous pouvez trouver ci-dessous un schéma expliquant le fonctionnement d’une telle bête. Suivez le cheminement de l’air.

1. Après être passé dans un filtre qui a éliminé les principales impuretés, l’air se trouve à l’entrée du compresseur. L’air est à peu près à la pression atmosphérique et à la température ambiante.
2. Entraîné par la turbine dont je parlerai tout de suite après, le compresseur centrifuge comprime l’air. Sa pression a augmenté mais sa température aussi.
3. Voici l’échangeur air/air.
4. L’air est toujours à la même pression qu’au point 3 mais sa température a été diminuée. Il est prêt à être admis dans le cylindre, avec la quantité de carburant qu’il faut pour envoyer du lourd !
5. Voilà, les Joules ont été donnés mais pas tous ! Les gaz d’échappement sont expulsés de la chambre de combustion à une certaine pression et à une température élevée.
6. La turbine va exploiter cette énergie (ou plutôt l’enthalpie pour être précis). En tournant, la turbine entraine directement le compresseur. Et oui, là est l’astuce.
7. Les gaz se sont détendus et sont maintenant quasiment à la pression atmosphérique et à une température plus faible.

On utilise l’énergie perdue à l’échappement pour introduire une masse de carburant plus importante. On va alors libérer plus d’énergie dans l’échappement. A l’équilibre, le travail qu’on pourra récupérer sur le vilebrequin sera donc plus important qu’un même moteur sans suralimentation.

Attention toutefois, on peut avoir l’impression que cette énergie est gratuite puisqu’elle provient des gaz d’échappement. Elle ne l’est totalement, puisque la présence de la turbine à l’échappement entraine une contre-pression plus ou moins importante qui n’est pas sans effet sur le remplissage du moteur en air.

La vue en coupe ci-dessous nous montre l’intérieur du turbocompresseur : à droite la partie compresseur centrifuge et à gauche la turbine centripète. On note la présence d’un circuit de lubrification, qui est très important compte tenu des vitesses de rotation de l’engin (jusqu’à 300 000 tr/min). Je donnerai des explications plus tard sur la partie “Waste-gate”.

Cependant, de nombreuses difficultés  se présentent, étant donné que le turbocompresseur est une turbomachine. Ces dernières fonctionnent parfaitement en régime stabilisé, quand le flux d’air est continu, pour un avion par exemple ou pour la production d’électricité ! Un moteur est totalement opposé à ça : des cylindres qui montent et qui descendent ce qui entraine un flux d’échappement pulsé un régime et une charge qui varient sans cesse…

Pour le compresseur, on trouve donc de nombreuses limitations :

– lorsqu’on souhaite avoir un faible débit de gaz mais une pression élevée. C’est typiquement un point de fonctionnement très important dans l’utilisation d’un véhicule : le couple à bas régime. Lorsqu’on s’approche d’une telle zone, on peut observer des instabilités au niveau du compresseur : de l’air circule dans le sens inverse et on a donc des oscillations de pression. Ces oscillations, parfois violents, peuvent mener à la destruction du compresseur. C’est ce qu’on appelle le pompage.

– lorsqu’on souhaite avoir un fort débit de gaz et une pression élevée, par exemple pour le point de puissance maximale. Lorsqu’on s’approche de cette zone, on peut s’approcher de la vitesse de rotation maximale du turbocompresseur.

– lorsqu’on souhaite avoir un fort débit de gaz et une pression faible, par exemple dans le cas d’un régime moteur élevée avec une charge moteur modérée (choke line)

Le graphique ci-dessous s’appelle un champ compresseur et répertorie toutes les caractéristiques du compresseur. Il est utilisé pour choisir le turbocompresseur qui correspond le mieux à un moteur et aux performances attendues.

Comme pour le compresseur, il existe un champ turbine pour choisir la turbine qui va bien !

3. Les différents types de turbocompresseur

Comme vous pouvez vous en douter, il est difficile voire même impossible de trouver un turbocompresseur (c’est-à-dire un couple turbine + compresseur) dont les caractéristiques correspondent à toutes les exigences de performances d’un moteur. Un des objectifs les plus importants est d’avoir un couple élevé à faible régime pour éviter que :

– j’appuie à fond sur l’accélérateur

– ma voiture accélère tel un gros veau

– arrivé à un certain régime, le turbo commence à se mettre en route et j’envoie du lourd

Même si un « coup de pied aux fesses » peut avoir ses charmes, il est toujours plus agréable pour la majorité des conducteurs d’avoir un moteur au comportement un peu plus… linéaire.

Plusieurs solutions ont été mises au point pour agir sur la turbine:

• Turbocompresseur avec une waste-gate :

Il s’agit d’une vanne qui va permettre aux gaz d’échappement de court-circuiter la turbine. Typiquement, on va monter un « petit » turbo pour qu’il puisse être opérationnel à faible régime et fournir la pression de suralimentation souhaitée. Le problème avec un « petit » turbo est qu’on va rapidement approcher de ses limites (voir ce qui a été dit précédemment) lorsque l’on va monter en régime.  On va donc limiter le débit de gaz d’échappement qui passe dans la turbine, et donc sa vitesse, et donc dégrader le fonctionnement du compresseur et ainsi obtenir une pression de suralimentation moindre. C’est un compromis !

Il s’agit d’une solution technologiquement robuste, simple et par conséquent peu coûteuse. On trouve ce type de turbocompresseurs dans la quasi-totalité des moteurs turbo Essence et dans une partie des turbo Diesel (moteurs « bas de gamme »).

• Turbocompresseur à géométrie variable.

Ce système, plus complexe à mettre en œuvre,  a été tout d’abord utilisé en F1 dans les années 80. Le but d’un tel système est d’avoir un turbo qui tourne assez rapidement à des faibles régimes moteur pour assurer une pression de suralimentation convenable.

Pour cela, la technique utilisée est d’augmenter la différence de pression entre l’entrée et la sortie de la turbine, et ainsi augmenter la vitesse de passage des gaz brûlés et augmenter la vitesse de rotation du turbo. Pour simplifier, on va réduire la surface d’entrée de la turbine. Il existe plusieurs façons de le faire, la plus courante étant celle que vous pouvez voir ci-dessous :

Le principal avantage d’un turbocompresseur de ce type est qu’il permet de conserver les performances du turbocompresseur à haut régime, là où le turbocompresseur à waste-gate pêche.  On trouve ce type de suralimentation dans de nombreux moteurs turbo Diesel et dans quelques rares applications essence (Porsche Turbo)

Il s’agit des deux technologies les plus répandues actuellement, il existe de nombreuses autres applications – notamment – la double-suralimentation, sur lesquelles je reviendrai lors d’un prochain article !

Une chose importante à noter est que la suralimentation ne se résume pas à une notion : la pression de suralimentation. L’utilisation d’un turbocompresseur s’accompagne de nombreuses contraintes qui devront être prises en compte lors de la conception :

– le retour des gaz d’échappement dans le conduit d’admission lors de l’ouverture des soupapes

– l’utilisation d’un système de refroidissement pour réduire la température de l’air à l’admission

– lors de la combustion, la pression maximale atteinte est directement liée à la pression d’admission, il sera donc nécessaire d’apporter des modifications (matériaux, taux de compression, …)

– augmentation des risques de cliquetis (dans le cas de l’essence)

– …

J’espère vous avoir éclairé sur ce sujet (si vous avez eu le courage de lire jusqu’ici 🙂 ), en bonus je vous propose une vidéo que vous avez peut-être déjà eu l’occasion de visionner : très jolie vidéo hommage à la célèbre vidéo de la montée de Pikes Peak d’Ari Vatanen. C’est donc Marcus Grönholm qui s’y colle avec une Fiesta dont le moteur 2,0 L a été porté à 800 cv…

Avant chaque virage  (ou chaque passage de vitesse), vous pouvez entendre un bruit assez fort, il s’agit du pompage compresseur. Lorsqu’il relève le pied de l’accélérateur, le papillon moteur se ferme, le turbo tourne encore, on a donc une pression en sortie compresseur qui augmente fortement, pour un débit d’air quasi nul. On  se trouve donc bien dans la partie de gauche du champ compresseur que je vous ai présenté précédemment. Vous verrez que ce bruit ne fait qu’augmenter au fil de la montée (surement une modification de la pression atmosphérique, il y a quand même 1 400 m de dénivelé), on a limite mal pour la voiture… Au final le turbo rend l’âme (peut-être dû à ça ?!) et forcément après, ça va moins bien !

Images via Honeywell-Garrett, Volvo, Flat4Ever

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