Une méthode pour gagner facilement un peu de puissance sur un moteur de série (troisième partie)

La première partie de cet article a présenté l’impact des variations de richesse sur le couple et la puissance délivrés par un moteur.

Dans la seconde partie, on a vu comment tirer parti de ce comportement pour améliorer à bon compte la puissance d’un moteur atmosphérique.

Cette troisième partie est consacrée au comportement des moteurs suralimentés.

Les moteurs suralimentés sont ceux qui permettent la plus grande augmentation de puissance à moindre coût. Il suffit de leur faire aspirer plus d’air et plus de carburant pour augmenter significativement le couple qu’ils fournissent.

En première approche, on peut considérer avec une erreur assez faible que le couple fourni est pratiquement proportionnel à la pression absolue dans le répartiteur d’air d’admission (plenum) si toutes les modifications nécessaires sont apportées.

Pression absolue

Nous allons commencer par présenter la pression absolue. La pression absolue est due aux forces qu’exercent les gaz ou les liquides sur une paroi. Dans le vide absolu (vide intersidéral) elle est nulle. Dans l’air ambiant, sans vent (et si la paroi est immobile) elle est voisine de 1 bar (1013 mB en moyenne à Paris.) C’est ce qu’on appelle la pression atmosphérique.

Un moteur dit atmosphérique aspire de l’air à une pression inférieure à la pression atmosphérique parce que le filtre à air et les conduits créent une perte de charge. Elle est plutôt voisine de 960 mB avec un filtre à air conventionnel. Quand le papillon n’est pas à pleine ouverture, la pression est encore plus basse. C’est à ça que sert le papillon : limiter la pression absolue en amont des soupapes pour limiter le couple délivré par le moteur.

Premier constat : les filtres à air qui permettent de gagner 25 % de puissance n’existent pas ! Ne croyez pas les publicités, c’est un honteux mensonge, puisque sans filtre on gagne au mieux environ 50 mB soit 5 %.

Un moteur suralimenté peut aspirer de l’air à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Á l’inverse du papillon, le compresseur permet de créer des pressions absolues plus grandes que la pression atmosphérique en amont des soupapes.

Mais souvent quand on parle de pression de suralimentation, il s’agit d’une pression relative.

La pression relative est égale à la différence entre la pression absolue atmosphérique et la pression absolue dans l’espace qu’on étudie (ici le plenum du moteur.)

C’est bien la pression absolue qui permet le remplissage du moteur et non pas la pression relative. Vous voulez une preuve ? Facile !

Sur un moteur atmosphérique, la pression dans le répartiteur d’admission est inférieure ou égale à la pression atmosphérique (c’est écrit plus haut…) donc la pression relative est négative ! Et pourtant le moteur se remplit quand même. CQFD

Exercice

Voici un petit exemple pour résumer ce qui est dit ci-avant.

Quel couple délivrera un moteur qui développe deux cent Newton.mètres avec une pression relative de suralimentation de 1 bar si on le suralimente avec une pression relative de 1,2 bar ?

220 Newton-mètres environ et pas 240 comme on l’entend trop souvent !

Explication : pour 200 N.m la pression ABSOLUE dans le plenum doit être 1 bar + 1 bar = 2 bars absolus, donc pour 2,2 bars absolus le couple délivré sera 200 x 2,2 /2 = 220

Pour voir si tout est bien assimilé… On enlève le compresseur, quel est le couple délivré par le moteur ?

100 N.m ?

Non ! Et la perte de charge due au filtre à air…

200 x 0,96 / 2 = 96 N.m

Dans la réalité

Dans la réalité le gain de couple est toujours inférieur à ce qui a été calculé avec l’équation simpliste présentée ci-avant. Il est plus faible parce que l’augmentation de pression de suralimentation augmente la contre-pression à l’échappement si la suralimentation est assurée par un turbocompresseur où le couple absorbé par le compresseur si le moteur est équipé d’un compresseur dit « volumétrique ».

Si on ne fait qu’augmenter la pression de suralimentation, le gain sera encore plus petit que ça ! En effet, augmenter la pression de suralimentation va se traduire par une plus grande masse d’air aspirée par le moteur, mais si on ne fait rien d’autre, le point de fonctionnement du moteur va se déplacer sur la courbe présentée dans la première partie de cet article parce que le moteur n'aura pas assez de carburant pour fonctionner à la steochiométrie !

Le moteur va être alimenté par un mélange moins riche et ça va lui faire perdre du couple.

Reprenons le cas du moteur-exemple. On passe de 1 bar relatif à 1,2 bar relatif. Si le refroidisseur d’air de suralimentation est amélioré, et que la température de l’air en entrée du moteur est restée la même (ce qui n’est pas le cas si on ne change pas d’échangeur) le moteur va avaler 10 % d’air en plus. Mais si on ne change pas la quantité d’essence injectée, la richesse qui était égale à 1 va passer à 0,90. Et donc pour la même masse d’air le moteur va perdre environ 5 % de couple (d’après la courbe donnée dans la première partie).

En définitive, le couple devient 200 x (2,2/2) x (1-0,05) = 209 N.m … Moins la perte liée au compresseur. Disons qu’a grand coups de louche, le moteur délivre 206 N.m environ.

On commence à s’éloigner sérieusement des 240N.m que certains revendiquent…

Maintenant revenons sur cette histoire d’échangeur. Plus on comprime l’air, plus il s’échauffe. On le sait ! (expérience de la pompe à vélo en aluminium bouchée sur laquelle on se brûle les doigts )

Ce qu’on sait un petit peu moins, c’est que plus l’air est chaud, plus il est dilaté. En conséquence dans un volume d’air comprimé à une pression donnée, il y a moins de masse d’air quand il est chaud que quand il est froid. Donc si on n’améliore pas l’échangeur de façon à faire admettre dans le moteur de l’air à la même température qu’avant, la masse d’air qui rentre est plus faible que ce qu’on peut calculer avec toutes les formules données ci-avant.

Les compresseurs qui équipent les moteurs de série sont choisis par les constructeurs parce qu’ils ont de bons rendements dans les conditions d’exploitation d’origine de moteur. Dès qu’on s’écarte de ces conditions, le rendement diminue et cela se traduit par une augmentation de la température de l’air qui sort du compresseur. Augmentation de température = diminution de densité = diminution du couple…

En définitive, notre moteur sensé délivrer 240 N.m selon certains fournit réellement 203 N.m.

On a augmenté la pression relative de 20 % et le couple de 1,5 % !

Il faut parfois redescendre sur terre. Ne croyez pas les marchands de rêves !

Ci dessous une vidéo sérieuse concernant l'un des nombreux boitiers additionnels qui font gagner des chevaux en quantité pour quelques dizaines d'Euros.