Suralimentation

Le but de la suralimentation est de favoriser le remplissage. Cela permet un meilleur rendement ainsi qu'un couple spécifique (par litre de cylindrée) supérieur, par amélioration de la combustion. C'est d'ailleurs sur la suralimentation que se tournent les moteurs de demain, c'est ce qu'on appelle le "downsizing" (réduction de cylindrée, application de l'injection directe et d'une suralimentation pour augmenter le rendement). Mais non, nos petits moteurs ne sont pas encore bons à jeter aux oubliettes!

Sommaire de la page

1) Le taux de remplissage
2) Suralimentation naturelle
3) Suralimentation forcée
4) Résumé

Le taux de remplissage

Le taux de remplissage R(%) est la quantité de mélange (en kg (m) ou en nombre de moles (n)) réellement introduite dans le cylindre (quantité m_r) divisée par la quantité de référence qui se trouve à l'intérieur du cylindre pour une température et une pression égales à l'atmosphère extérieure (quantité m_th). On divise donc la masse du mélange qui se trouve réellement dans le cylindre par celle que l'on devrait avoir en théorie (R(%) = m_r / m_th).

D'après la loi des gaz parfaits en thermodynamique, PV=mRT, si la température T augmente, pour une même pression P (celle de l'atmosphère, soit 1 bar) et un même volume V (celui du cylindre), il y a forcément diminution du terme m, qui représente la masse du gaz. Il y a donc moins de molécules de gaz dans le cylindre, donc moins de molécule d'oxygènes et de carburant, donc moins d'énergie dégagée. On dit qu'il y a baisse du remplissage. Il y a d'autres causes qui influent sur le remplissage. On cherchera normalement à avoir le meilleur remplissage possible.

Un turbo nous permet d'avoir un taux de remplissage supérieur à 1, et une admission où les pertes de charges sont trop importantes nous donne un taux de remplissage inférieur à 1. Sur un moteur classique, le taux de remplissage est au mieux de 0.9. Sur le moteur de la deuche, le taux de remplissage est amélioré via le biais de la suralimentation naturelle (mais il reste inférieur à 1). Malheureusement, cela ne peut être programmé qu'à un régime moteur donné.

Le moteur est donc conçu pour avoir un bon taux de remplissage à certains régimes, et un plus mauvais à d'autres. Par exemple, à partir d'un certain régime, le couple chute car le remplissage se fait difficilement à cause de l'étranglement (l'air n'a plus le temps de passer entièrement à travers des conduits d'admission trop étroits prévus pour des régimes inférieurs, donc des vitesses d'air plus faibles).

Si l'on regarde la courbe de couple du flat-twin obtenue par les essais de Christian Bosch, elle a la forme suivante (les essais ont été faits avec un filtre de 2cv Cross : si quelqu'un avait les courbes du moteur d'origine, je suis interressé) :

Fig 1: courbe de couple

On s'aperçoit que la courbe de couple est plate sur une plage de régime de 2000 tr/min, ce qui n'est pas mal. On remarque aussi que à partir de 4500 tr/min, l'étranglement du circuit d'admission provoque la baisse du remplissage donc une baisse progressive du couple. De même que en dessous de 3000 tr/min, les conduits d'admission sont cette fois-ci surdimensionnés (comme nous allons le voir par la suite), et là aussi le remplissage diminue et le couple chute.

On voit que la courbe passe par un maximum, appelé le couple maxi. A ce régime, les conduits d'échappement et d'admission ont été calculés pour que le remplissage soit optimum. C'est à dire que le rendement et le couple sont maximums, et la consommation est minimum. Autant dire que l'on souligne en rouge sur son compte-tours ce régime moteur là!

Nous allons maintenant voir comment augmenter le remplissage, un bon remplissage augmentant le travail fourni par le moteur pour un cycle. De nombreux paramètres entre en compte dans le remplissage.

Suralimentation naturelle

C'est ce type de suralimentation qui est utilisée sur le bicylindre à plat Citroën. Cette suralimentation est faite en jouant sur l'admission d'une part, et sur l'échappement d'autre part (si si, l'échappement peut être utilisé pour favoriser l'admission, bien que cela semble de prime abord paradoxal!).

Tout d'abord, voyons quelques notions de mécanique des fluides.
L'air qui nous entoure est un fluide, au même titre que l'eau ou que l'huile. Sa densité est tout simplement plus faible, du fait de la grande agitation de ses molécules qui font qu'elles sont moins "serrées" entre elles. L'air a un poids, environ 1,225 kg par m³ (c'est ce qu'on appelle sa masse volumique, notée ρ). Ce poids provient de l'accumulation des molécules sur une hauteur de 50 kms au dessus de notre tête, et engendre une pression au niveau du sol de 100 000 Pa (soit 1 bar, appelé pression atmosphérique), ce qui fait que l'on a du mal à se mouvoir dans l'air, de par la force nécessaire pour déplacer les molécules devant nous, et surtout par le vide laissé derrière nous par les molécules déplacées sur le côté, ce vide étant appelé la dépression. C'est surtout la dépression qui entre en jeu dans la résistance à l'avancement.
Cette résistance de l'air est bien plus faible que celle de l'eau, mais elle existe. Essayez pour voir de déplacer la main du haut vers le bas avec les doigts légerement écartés. Est-ce que vous sentez cette masse d'air que vous déplacez et qui augmente la pression sur la paume, ainsi que le flux d'air entre les doigts qui provoque un frottement et des tourbillons. Cela vous aidera à visualiser le comportement de l'air.

L'air et l'eau possèdent une autre différence de taille. L'air est un fluide compressible, au contraire de l'eau. Si on le met dans une seringue, que l'on bouche l'extrémité et que l'on appuie, l'air va se comprimer, c'est à dire que son volume va diminuer et sa pression augmenter (on a de plus en plus de mal à comprimer le gaz plus on appuie sur la seringue).
Ce comportement est régie par la loi des gaz parfaits, PV=mRT. m et R étant des constantes pour le cas de la seringue, si je fais varier soit la pression P soit le volume V, la température T doit changer pour conserver l'égalité. Les trois variables P, V et T sont donc liées, si on change une de ces variables, une ou les deux autres vont être aussi modifiées.

Maintenant que cette introduction est faite, voyons le comportement de l'air dans un moteur.

Le moteur, pour fonctionner, nécessite de l'oxygène, cet oxygène étant capté dans l'atmosphère. Lors de la course d'aspiration du piston, la soupape d'admisison est ouverte. La descente du piston crée une dépression dans le cylindre, et comme l'air contenu dans le collecteur d'admission est à pression ambiante (1 bar), il se trouve en surpression et donc un mouvement s'amorce vers le cylindre. L'inertie de l'air fait que ce mouvement ne s'effectue pas tout de suite, il s'écoule un certain temps pour que la dépression dans le cylindre soit suffisante pour mettre en branle l'air contenu dans le collecteur, cet air dans le collecteur étant appelé la colonne gazeuse.

De proche en proche, la dépression se propage en remontant dans le circuit d'admission (les molécules sont aspirées par la dépression vers le cylindre, leur mouvement provoquant une dépression derrière elles qui va attirer les molécules suivantes, et ainsi de suite. C'est ce qu'on appelle l'onde de dépression). Ce circuit va de l'orifice du cylindre jusqu'au conduit débouchant au filtre à air.

La section de ce circuit varie constamment (large dans le résonateur, très faible dans le venturi du carburateur, ainsi que lors du passage du papillon des gaz et lors du passage de l'orifice de soupape) en faisant de nombreux coudes. Tout cela nous génère des pertes de charges (se traduisant par une baisse de pression), ce qui veut dire que le piston en descendant doit fournir plus d'énergie pour attirer le fluide, car il doit vaincre la dépression d'aspiration du gaz. De plus, à cause des pertes progressives de pression le long du circuit, la force d'aspiration (la dépression) produite au niveau du piston ne sera plus aussi importante au niveau de l'orifice du filtre à air, ce qui ne favorisera pas l'écoulement, qui est d'autant plus important que la différence de pression est importante.
C'est comme si on tirait d'un coup brusque sur un objet par l'intermédiaire d'un ressort, on va beaucoup forcer, mais toute la force va servir à étirer le ressort sans déplacer l'objet. Le ressort représente ici la colonne gazeuse qui va s'étirer au début sans provoquer de mouvement d'air, toute la force étant emmagasinée dans l'étirement. Bien sur, cette force va plus tard être restituée, mais est-ce qu'elle le sera au bon moment?

On peut faire l'analogie avec l'électricité, la différence de pression étant la différence de potentiel. Si la section du fil est trop petite, sa résistance au passage du courant augmente (les électrons ne peuvent pas tous passer au même moment), une partie de la puissance étant dissipée en chaleur par effet Joule, le courant sera donc inférieur à celui qui passerait sous un même potentiel mais dans un fil de section plus large.

Les pertes de charges sont provoquées principalement par trois causes:
- les changements brusques de section (élargissement ou rétrécissement)
- les changements de direction brusques, comme un coude à 90° par exemple
- aux frottements de l'air sur les parois, ces frottements augmentant avec la rugosité.

De plus, ces pertes de charges (frottements) provoquent des échauffements qui augmentent la température du mélange, donc diminuent la quantité (ou masse) de mélange dans un volume donné, donc diminuent le remplissage. Sur la deuche, le collecteur d'admission est réchauffé par les gaz d'échappement. Cela évite aux particules les plus lourdes du mélange de se coller aux parois lors des changements de direction et ainsi d'appauvrir le mélange. Cela permet aussi de favoriser la vaporisation de l'essence, donc de favoriser plus tard l'esplosion du mélange (une explosion se fait entre deux gaz, toutes les parties liquide d'essence doivent donc être vaporisées au préalable, ce qui nécessite de prélever une partie de l'énergie dégageé par l'explosion si l'essence n'est pas vaporisée au niveau du collecteur d'admission). Par contre ça diminue le remplissage. Le problème serait résolu avec une injection électronique, mais ça c'est pour plus tard.

Voir la partie améliorations/moteur/admission pour savoir comment diminuer ces pertes de charges.

Le circuit d'admission est donc le lieu de pertes de charge. Suivant l'importance des pertes de charges, le circuit est dit plus ou moins perméable. Essayons de faire avec pour permettre un bon remplissage malgré tout.

Nous avons vu dans les parties précédentes que le circuit d'admission génère des pertes de charges qui diminuent le remplissage moteur, ce qui nuit au rendement. Pour obtenir un remplissage correct, on se sert alors de la suralimentation naturelle, qui consiste à obtenir dans le cylindre une pression supérieure à celle de l'atmosphère lors de la fermeture de la soupape d'admission. C'est ce qu'on appelle l'effet d'inertie de la colonne gazeuse, ou effet Kadenacy (Ram-effect en anglais).

Lorsque le piston descend, l'air ne le suit pas tout de suite. Il se créé alors une dépression au niveau du piston. Ensuite, sous l'effet de la dépression, l'écoulement s'accélère progressivement, pour devenir plus rapide en fin de course que le piston lui-même. Quand le piston s'arrête, tout l'écoulement vient frapper la tête du piston, c'est le coup de Bélier bien connu en plomberie, lorsque l'on arrête brutalement le robinet de la douche.

D'après l'équation de Bernoulli, lorsque la vitesse d'un fluide diminue, l'énergie cinétique ainsi perdue est transformée en énergie de pression, ce qui fait que la pression augmente. C'est le même principe pour le karcher : au moment où l'eau sort de la lance, elle à peu de pression mais une grande vitesse. Quand cette eau à grande vitesse rencontre un obstacle (la carrosserie par exemple) sa vitesse devient nulle et toute l'énergie est transformée en pression. Sous l'effet de cette pression les saletés sont arrachées à la carrosserie, ainsi que la peinture si celle-ci est mal faite...

Il se passe la même chose dans le cylindre au moment du coup de bélier : toute la vitesse acquise par l'écoulement est transformée en pression. Et cette pression est supérieure à la pression atmosphérique, c'est ce que l'on cherchait à avoir. C'est l'onde de pression, qui remonte petit à petit vers la soupape d'admission au fur et à mesure que les molécules d'air encore en mouvement s'écrasent sur les molécules précédentes qui sont arrêtées.

Le but du jeu, pour obtenir un remplissage optimum, est de fermer la soupape d'admission pile poil au moment ou l'onde de pression atteint cette soupape. Si on ferme avant, une partie de la quantité de gaz qui aurait due rentrer va s'écraser sur la soupape fermée et ne pas participer à la combustion. De même, si l'on ferme trop tard, une partie du gaz va refluer à l'extérieur du cylindre.

Le problème, c'est le moment (en °VIL) où l'onde de pression atteint la soupape. Ce moment va varier suivant le régime moteur, et actuellement la distribution moteur n'est pas variable, c'est à dire que la soupape se fermera toujours au même moment. L'on est donc obligé de fixer le moment de fermeture afin d'améliorer un régime donné. C'est pourquoi l'on passe par un couple maxi sur la courbe de couple du moteur. Ce régime où le remplissage est maximal est appelé régime d'accord ou de résonance.

On peut aussi modéliser le remplissage par la pression régnant dans le cylindre: lorsque cette pression est maximale, c'est que toute l'énergie cinétique des gaz à été transformée en pression. Juste après cette pression max, la pression redescend car les gaz ont tendance à refluer à l'extérieur du cylindre, sous l'effet des pressions différentielles cylindre/collecteur et du fait que le piston remonte. C'est donc à cette pression maxi que la soupape doit se fermer (RFA).

Nous avons donc vu précédemment que lorsque le piston ralentit en s'approchant du PMB, il se produit un coup de bélier quand la colonne gazeuse, qui à pris du retard par rapport au piston, frapppe la tête de ce dernier. Un coup de bélier se traduit par une succession d'ondes de pression suivies d'ondes de dépression, comme le montre la figure suivante :

Fig 2: train d'ondes de surpression/dépression suivant le coup de bélier, avec P la pression règnant dans le cylindre.

A quoi sont dues ces ondes: Nous avons vu que l'arrêt brutal de la colonne d'air provoquait la transformation de sa vitesse en pression, cette surpression remontant le long de l'écoulement au fur et à mesure de l'écrasement des molécules d'air sur les molécules qui les précèdent. La vitesse de cette onde de surpression est celle de la vitesse du son, appelée c. La vitesse du son dans l'air est variable, fonction de la température notamment, suivant la formule , avec pour le cas qui nous intéresse le coefficient polytropique γ = 1,4, R = 287 J/kg.K et T la température en Kelvin (obtenue en rajoutant 273,15 à la température en °C). Cette onde se propage dans le circuit d'admission jusqu'au filtre à air, ou plutôt dans la boîte à air, encore appelé résonateur, qui suit immédiatement le filtre en lui-même. Ce résonateur se trouve à la pression atmosphérique.

Mettre image du circuit d'admission en montrant la boite à air.

Expliquer pourquoi il y a une onde de dépression et de surpression qui se suivent.

Quand on regarde la figure 2, on s'aperçoit que les ondes de surpression et dépression sont périodiques (elles se répètent tout les tant de centièmes de secondes). Cette fréquence propre du résonateur formé par le cylindre et le circuit d'admission peut s'accorder avec la fréquence excitatrice générée par le piston à un certain régime. Quand ces deux fréquences sont en phase et de même période, on est alors dans le régime de résonnance qui nous donne le couple max.

D'où vient la fréquence excitatrice? :
Quand le piston descend, il génère une dépression qui va se propager dans l'air, donc à travers le circuit d'admission, jusqu'a l'extrémité libre du circuit (celle qui est à la pression atmosphérique, donc dans notre cas le résonateur du filtre à air). En arrivant à cette pression atmosphérique, la dépression va créer un écoulement sous l'effet des pressions différentielles entre celle régnant dans le conduit (dépression) et celle règnant dans le résonateur (Patm supérieure à pression de dépression). Cet écoulement en direction du cylindre va créer une onde de surpression.
C'est comme si l'onde de dépression, débouchant à l'air libre, "rebondit" sur cet air en créant une onde de signe contraire (onde de surpression) dans le circuit d'admission, en direction du cylindre. Tout cela se passant à la vitesse du son.
La fréquence de cette onde dépend du nombre de fois par secondes où le piston va descendre pour l'admission (nombre de tr/min divisé par 2), donc la fréquence excitatrice dépend directement du régime moteur.

D'ou vient la fréquence propre du circuit d'admission? :

à suivre....

Suralimentation forcée

La suralimentation forcée est celle qui fait appel à un compresseur pour augmenter la pression à l'admission.

Le compresseur est actionné soit mécaniquement (on parle de compresseur mécanique ou compresseur) soit par une turbine entrainée par les gaz d'échappement (on parle alors de turbocompresseur, ou turbo).
Le compresseur mécanique à l'avantage d'être disponible à tous les régimes.
Le turbo à l'avantage d'augmenter le rendement du moteur (en récupérant la puissance du moteur perdue à l'échappement).

La suralimentation par compresseur permet de trouver la puissance par le couple, une culasse multisoupape, en repoussant le régime d'affolement (les soupapes sont plus petites donc plus légères) permet de trouver la puissance par le régime.

Pour utiliser les termes usuels, le compresseur mécanique sera maintenant appelé compresseur, et le turbocompresseur simplement turbo.

Le turbo

C'est à bas régime qu'il reçoit le moins de puissance.

La turbine ("ventilateur" qui tourne sous l'effet du souffle des gaz d'échappement) est calculée pour une vitesse fixe des gaz. Comme cette vitesse dépend du régime moteur, on choisit le régime qui verra le turbo se mettre en route. Il existe des procédés pour étaler cette plage de régime de fonctionnement. Pour cela on utilise les turbos à géométrie fixe, et ceux à géométrie variable.

A géométrie fixe, c'est une soupape qui régule la vitesse des gaz en s'ouvrant au-delà d'une certaien pression (Waste Gate, les gaz sont perdus). Ces turbos sont les moins chers, mais cette technologie fait perdre de l'agrément car limite la plage d'utilisation du turbo et n'utilise qu'une partie des gaz.

A géométrie variable muti-ailettes, les ailettes peuvent bouger, elles s'adaptent donc au régime du moteur et peuvent fonctionner dès les bas régimes.

Le turbo multi-ailettes est la star de demain pour le down-sizing et un turbo utilisé non plus pour la puissance mais pour l'économie d'énergie.

à suivre...