[La clé de 13] Atmo, Compresseur, Turbo, comment respire votre moteur

On vous avait déjà parlé des boîtes de vitesse ou des plastiques dans l’automobile. Mais comme les sujets mécaniques sont nombreux quand on parle des anciennes on s’est dit qu’en parler plus fréquemment ce n’était pas une mauvaise idée. Pour ce nouvel article on va parler d’air !

La base : la carburation

Avant de parler de suralimentation il faut rappeler quelque chose : la combustion d’un moteur n’est pas due qu’au carburant. En effet, l’essence, ou l’éthanol ou le diesel hein, a besoin d’un comburant. On mélange les deux, via un carburateur dans la plupart de nos anciennes, et on injecte ce mélange dans le moteur. Dans le cas de l’essence ou de l’éthanol il est enflammé par la bougie, cela crée l’explosion qui repousse le piston.

Mais ce mélange n’est pas fait au pif. Pour obtenir une combustion parfaite, il faut respecter un rapport de 14,7:1 soit 14,7g d’air pour 1g de carburant. Augmentez la quantité de carburant, on parlera de mélange riche, baissez la, et on parlera de mélange pauvre.

Les moteurs atmosphériques

Les moteurs les produits historiquement sont les moteurs atmosphériques. Ce sont les premiers inventés et vu que ce sont les plus simples, ce sont les plus répandus. Attention, la donne est en train de changer à cause du principe du downsizing qui veut réduire la cylindrée du moteur (et par là sa consommation, donc ses émissions polluantes) sans réduire les performances.

Mais revenons à nos moteur atmosphériques (ou atmosphéériques pour les mordus).

Dans les moteurs atmosphériques l’air va être aspiré du fait du mouvement du piston (comme dans une seringue). Le mélange air-essence se fait à travers un carburateur, pour les plus anciens, puis grâce à une pompe à injection. Le premier système est une création de Karl Benz, le second de Rudolf Diesel, deux noms plutôt connus en somme !

Les moteurs atmosphériques sont pour certains le Saint Graal du moteur. Cela s’explique par deux choses principalement : leur vitesse de rotation qui est plus élevée et du coup leur bruit qui est souvent plus mélodieux.

Cependant les moteurs atmosphériques sont limités en performance par la quantité de mélange qu’ils peuvent brûler. Du coup ils sont moins performants que les moteurs suralimentés.

Les moteurs suralimentés

Pourquoi suralimenter ?

On va simplifier, mais globalement, la puissance du moteur est directement liée à la quantité de carburant que vous injectez dedans à chaque cycle.

De ce fait, pour avoir plus de puissance soit vous tournez plus vite (mais à un moment, les frottements et autres contraintes mécaniques vont vous bloquer, et votre moteur sera littéralement à bout de souffle), soit vous brulez plus de carburant (mais si le mélange devient trop riche, la combustion fout le camp).

La suralimentation permet de forcer plus d’air dans le moteur, et donc d’augmenter la quantité de carburant brulée à chaque cycle tout en gardant le bon ratio air-essence.

Et pour ça on a le choix entre deux systèmes.

Le compresseur

Le premier type de suralimentation utilisé en automobile, c’est le compresseur. Il va donc compresser l’air, afin d’en faire tenir plus dans le minimum de volume (d’où le nom de compresseur volumétrique), afin de l’envoyer dans les cylindres.

Le compresseur est le premier à être apparu parce que c’est aussi le plus simple dans son fonctionnement. En fait l’énergie utilisée pour le faire tourner est directement issue du moteur. Du coup il est soit placé en bout de vilebrequin, soit entraîné par une chaîne ou une courroie.

On a d’abord utilisé des compresseurs de type Roots, à lobes, généralement deux, mais on peut aller plus loin. On les retrouve par exemple tout à l’avant de certaines autos d’avant-guerre (Bentley Blower par exemple)

Ensuite on a aussi développé les compresseurs à vis. Deux vis hélicoïdales tournent « l’une sur l’autre ». L’espace disponible pour l’air est de plus en plus petit et cela augmente donc sa pression, CQFD. Plus compliqué à mettre fabriquer et plus volumineux, il a, au final, été bien moins utilisé que le Roots.

Mais pourquoi le compresseur est progressivement remplacé par le turbocompresseur ? Et bien tout simplement à cause de son mode d’entraînement. Pour compresser, il faut utiliser de la puissance moteur, et arrivé à une certaine pression dans le compresseur, celui-ci commence à freiner l’ensemble.

Le turbocompresseur

Au final le turbocompresseur est une création ancienne également. Il reprend le principe du compresseur, mais son mode d’entraînement est différent. C’est une turbine (d’où le nom) mue par le passage des gaz d’échappement qui entraîne l’autre turbine qui compresse l’air.

L’idée est géniale car on récupère une énergie qui serait normalement perdue. En effet, les gaz d’échappement sont un reliquat d’énergie perdue par le moteur lors de son fonctionnement. Autant récupérer cette énergie « gratuite » pour augmenter le rendement du moteur. Ce système permet d’autre part d’augmenter la pression de suralimentation par rapport au compresseur « normal » et de faire en sorte que plus le moteur tourne vite, plus il peut tourner vite. C’est tout bénef’ !

Si le turbocompresseur est ancien, il était d’abord peu utilisé car plus compliqué que le compresseur. Mais les avions de la seconde guerre mondiale, volant à une altitude où l’air était moins dense et nécessitant donc une suralimentation, ont permis de faire avancer sa technologie. Ensuite on l’a beaucoup retrouvé sur des moteurs de camions. La première auto à l’embarquer fut la Chevrolet Corvair dans les années 60, la première européenne étant la BMW 2002 Turbo.

Le turbo est donc la solution miracle ? Et bien il y a un mais, ou plutôt des mais.

Attention à ne pas aller pousser trop fort non plus. Pour éviter que la pression ne soit trop grande, au risque d’endommager le moteur, une vanne de décharge libérera la pression si elle est trop grande. C’est également pour cela que le régime moteur est plus faible que sur un atmo.

La taille du turbo est également un problème. Plus le turbo est gros en taille, plus il soufflera fort. Par contre il lui faudra plus de gaz pour le mettre en rotation (c’était la principale cause du fameux turbo lag des années 80). A l’opposé, un petit turbo se mettra en route assez vite mais s’essoufflera par la suite.

Pour contrer cela, il y a les systèmes à turbo séquentiels. Le petit turbo prend en charge les bas régimes, avec un temps de réponse minime, en attendant que le grand turbo puisse démarrer, sans amener une brusque charge de puissance. La première voiture à en être équipée a été l’Eunos Cosmo en 1990, on rentre presque dans les véhicules modernes.

Mais ce n’est pas la seule parade. On peut également parler des turbos twin-scroll avec deux entrées des gaz d’échappement, permettant de réduire son temps de réponse. Existent aussi les turbos à géométrie variable, pour lesquels on déplace le rotor dans le corps du turbo afin d’optimiser son rendement.

Les systèmes combinés

On s’écarte un peu des anciennes puisqu’on arrive plutôt dans les années 80 et 90 pour ces derniers systèmes.

La Lancia Delta S4 est la première à faire appel à la fois au compresseur et au turbo. Le premier prenant en charge les bas régimes, le second, la pleine charge. À ce moment là, le compresseur normal était débrayé. Cela permettait d’avoir toujours de la suralimentation sans pomper de la puissance inutilement.

Pour améliorer la compression : il faut refroidir !

Là aussi, il va falloir parler de physique, mais promis, on ne va pas vous assommer avec.

Pour résumer, plus un gaz est chaud, moins il est dense. Et d’un autre côté, comprimer un gaz le rend plus chaud. De plus, de par sa position, le turbo ajoute un peu de chaleur transférée à travers le métal.

Cependant, ce ne sont pas les seuls problèmes. Le principal souci lié à la température de l’air injecté vient de deux conséquences qu’il faut solutionner :

• le cliquetis. Si l’air est trop chaud, le mélange aussi et il aura tendance à s’auto-enflammer. Le problème c’est qu’il ne le fera pas exactement au bon moment (l’allumage) et que ça nuira au bon fonctionnement du moteur.
• la température de l’air en sortie du cylindre. Si les gaz d’échappement sont trop chauds, ce n’est bon ni pour le turbo ni pour les catalyseurs qui suivent sur les autos récentes.

Du coup pour contrer ceci il faut refroidir l’air. On le fait avec un échangeur aussi appelé intercooler quand on aime bien repomper les termes anglais. En gros c’est un radiateur qui refroidit l’air soit avec le passage d’air frais (et pas compressé, qu’on appellera air-air) soit de liquide (qu’on appellera air-eau).

Grâce à lui, on augmente encore un peu la quantité d’air admis dans le moteur, permettant, de bruler encore un peu plus de carburant. Cela permet de cracher encore quelques chevaux de plus.

Conclusion : c’est pas fini !

Voilà pour ce qui concerne les anciennes. Comme les moteurs thermiques sont voués à disparaître à notre plus grand désespoir, leurs évolutions sont plus ou moins stoppées. Dommage car la suralimentation n’avait pas fini son développement. Ainsi on a retrouvé ces dernières années des compresseurs électriques sur des moteur à explosion ! Leur rendement bien meilleur et le fait qu’ils soient pilotables en faisaient des système « presque » parfaits.

Allez, on reprend un coup de Turbo lag et on se retrouve bientôt pour parler… de trains roulants !