Pourquoi suralimenter un moteur ?

Pourquoi suralimenter un moteur ? La suralimentation des moteurs a pour but d’en diminuer la consommation de combustible, et donc de réduire les émissions de CO₂. Elle consiste à augmenter la masse volumique de l’air d’admission par élévation de sa pression ce qui permet, à puissance égale, de diminuer la cylindrée du moteur et donc de bénéficier de meilleures conditions de fonctionnement en charge partielle, caractéristique de l’utilisation courante, tout en maintenant une réserve de puissance pour l’accélération du véhicule. Ainsi, si l’on double la pression de l’air d’admission on peut théoriquement, à température d’air d’admission égale, diviser la cylindrée du moteur par 2. En réalité la compression de l’air élève sa température ce qui nécessite l’utilisation d’un refroidisseur d’air en amont du moteur. La température d’admission dépend de l’efficacité du système, retenons que pour doubler la puissance d’un moteur on devrait tripler la pression d’air si on ne refroidissait pas l’air après compression alors qu’il suffirait de la doubler en refroidissant jusqu’à la température ambiante. Actuellement les moteurs suralimentés affichent des PME (Pression Moyenne Effective) de 20 bars correspondant pour un moteur Diesel à une pression d’admission de l’ordre de 3 bars (valeur absolue) et de 2 bars pour un moteur à allumage commandé. Tous les moteurs Diesel, automobile et camions, sont suralimentés. Moins de 10% des moteurs à allumage commandé sont suralimentés mais on s’attend à une forte pénétration de la suralimentation dans ces moteurs prochainement. Compresseur Mécanique et Turbocompresseur Un compresseur de suralimentation peut être "volumétrique", entrainé mécaniquement par l’arbre moteur à une vitesse de rotation proche de celle du moteur. C’est le cas des compresseurs à profils conjugués (Roots, Lysholm, à vis,..). Dans le turbocompresseur il est centrifuge et entrainé à une vitesse de rotation maximale de l’ordre de 200 000 tr/min par une turbine centripète placée sur le circuit d’échappement du moteur. La puissance d’entraînement du compresseur est, à pleine charge, de l’ordre de 10 à 15% de la puissance délivrée par le moteur, elle est donc prélevée directement sur l’arbre dans le cas du compresseur mécanique et est « récupérée » dans les gaz d’échappement pour le turbocompresseur. On sait que l’énergie résiduelle des gaz d’échappement représente environ 1/3 de l’énergie introduite dans le combustible, donc pour le turbocompresseur l’énergie nécessaire à la compression de l’air est quasiment gratuite. En réalité, la puissance délivrée par la turbine est obtenue par détente des gaz et elle nécessite une pression avant turbine relativement élevée qui pénalise le moteur. La perte de puissance moteur due à la contre pression d’échappement nécessaire au fonctionnement de la turbine dépend du système, elle est de l’ordre de 5% de la puissance moteur. Un avantage du compresseur mécanique est de ne pas perturber pas l’échappement ce qui permet des conditions de remplissage moteur plus favorables que dans le cas d’une turbine. On reconnaît aussi au compresseur mécanique une meilleure performance pour les régimes transitoires. Mais ces avantages restent faibles par rapport aux inconvénients liés à la performance globale, à l’installation et au coût du système qui limitent son utilisation à des rapports de compression de l’ordre de 2/1. Turbocompresseur et moteur L’adaptation d’un turbocompresseur à un moteur impose le choix d’un compresseur, d’une turbine et d’un système de régulation de la puissance turbine. En fonction des choix retenus les performances du système seront idéales à un régime de fonctionnement donné et seront plus ou moins dégradées aux autres régimes de fonctionnement. Il est relativement facile de choisir un compresseur mais il est plus délicat de bien adapter la turbine et son système de régulation de puissance. La caractéristique de fonctionnement d’une turbine est telle que lorsque le débit de gaz est faible, la pression avant turbine est basse, donc sa capacité à récupérer l’énergie des gaz d’échappement est moindre que lorsque le débit de gaz est élevé. Ainsi, à charge constante un moteur turbocompressé a naturellement une pression d’admission qui chute lorsque sa vitesse diminue. Lorsque la pression d’admission est insuffisante pour assurer le niveau de performances il est nécessaire d’augmenter la pression de gaz avant turbine pour récupérer plus d’énergie dans les gaz d’échappement. On augmente la pression avant turbine en réduisant la perméabilité de la turbine, soit en choisissant une turbine plus petite, soit en utilisant un dispositif de variation de la section d’entrée turbine (Turbine à Géométrie variable). Inversement lorsque la vitesse de rotation du moteur augmente, le débit de gaz augmente et la pression croit rapidement avant turbine provoquant l’augmentation de la puissance de turbine et donc de la pression d’air. Si celle ci devient excessive il y a lieu de réduire la puissance de la turbine, ce qui peut être fait en dérivant une partie des gaz de turbine directement vers l’échappement (wastegate) ou en "ouvrant" la section d’entrée de la turbine dans le cas d’utilisation de la turbine à géométrie variable. Les premier moteurs Diesel turbocompressés industriels, ne nécessitaient pas l’utilisation d’un dispositif de contrôle de puissance de turbine, les choix de compresseur et de turbine résultaient d’un compromis entre les performances "plein couple" à basse vitesse de rotation, régime pour lequel le manque d’air est la vulnérabilité, et à vitesse de rotation maximale où la pression de suralimentation plus élevée rend le moteur mécaniquement sensible aux pressions maximales de cycle. L’automobile a imposé la régulation de la puissance de turbine, d’une part parce que la variation de vitesse de rotation du moteur et, partant, la variation de débit de gaz sont grandes et, d’autre part parce que la recherche du couple maximal à faible vitesse de rotation moteur impose une pression d’air élevée aux faibles débits. On a alors utilisé une petite turbine et une wastegate mais l’augmentation du niveau de performances des moteurs a imposé la géométrie variable de turbine malgré son surcoût. La température des gaz d’échappement est un autre paramètre important de l’adaptation du turbocompresseur au moteur. Plus la température des gaz à l’entrée de la turbine est élevée moins il est nécessaire de détendre ces gaz dans la turbine, donc plus basse sera la pression en amont de la turbine. Un moteur Diesel fonctionnant "plein couple" a une température de gaz avant turbine de l’ordre de 750°C. Cette température chute vers 250°C lorsqu’il fonctionne en régime stabilisé de croisière. L’accélération à partir de ce régime stabilisé nécessite une montée en régime rapide du turbocompresseur qui suppose une faible inertie, mécanique et thermique, du système et une augmentation du rapport de détente. Le système de contrôle moteur doit éventuellement imposer une montée rapide de pression d’échappement mais la limiter dans le temps pour ne pas pénaliser le moteur. Suralimentation séquentielle Des systèmes de suralimentation plus complexes faisant appel à deux turbocompresseurs, en série ou séquentiels, ou à un compresseur mécanique suivi par un turbocompresseur permettent d’apporter des solutions performantes aux problèmes mentionnés ci dessus. Par exemple l’utilisation d’un compresseur mécanique associé à un turbocompresseur en série permettra un meilleur remplissage du moteur à faible vitesse de rotation et une meilleure accélération de l’ensemble. Cette solution est utilisée en moteur à allumage commandé. Dans le cas de moteur Diesel automobile le système séquentiel permet de fonctionner avec un petit turbocompresseur bien adapté aux faibles vitesses de rotation et un turbo plus gros aux vitesses élevées. L’installation est certes plus complexe mais permet grâce au petit turbo de bien satisfaire les exigences de couple maxi à faible vitesse de rotation et de bon comportement transitoire, le gros turbo assurant une faible pression d’échappement, donc une faible consommation, en croisière et à puissance élevée.