Comment transformons-nous les explosions en poussée?

Le nom du jeu de la combustion interne est la conversion de l’énergie thermique en mouvement. À l’intérieur d’un moteur, nous allumons un carburant comme l’essence, et les gaz chauds et en expansion du carburant / air poussent vers le bas sur les pistons. Les pistons de haut en bas sont reliés au vilebrequin rotatif dans le bas du moteur, transformant ce mouvement vertical en mouvement alternatif. Accrochez le tout à une transmission connectée aux roues, et c’est parti!

Comment faire de plus grandes explosions pour plus de poussée?

Si vous avez déjà allumé un feu de camp pour faire des s’mores, vous vous souvenez probablement des trois parties du « triangle du feu »: l’air, le carburant et la source d’allumage. C’est la même chose à votre feu de camp qu’à l’intérieur de votre moteur, l’air entrant dans l’admission se combinant avec le carburant de vos injecteurs de carburant et l’allumage de vos bougies d’allumage.

Si nous voulons augmenter la puissance, nous devons nous assurer d’en avoir assez des trois composants de notre triangle de feu. Dans un moteur, cela signifie que si nous injectons plus de carburant, nous devons également nous assurer que nous obtenons plus d’air (et donc plus d’oxygène) pour brûler tout le carburant, car le carburant supplémentaire ne brûlera pas à moins d’avoir plus d’oxygène avec lequel combiner et brûler.

La chimie a un mot pour désigner la quantité idéale de réactifs dans une équation à équilibrer sans restes: la stoechiométrie. Dans un moteur à essence, le rapport stoechiométrique de l’air contenant de l’oxygène au carburant est de 14,7 parties (en masse) d’air pour 1 partie d’essence.

Entrez l’induction forcée

« Il n’y a pas de remplacement pour la cylindrée » est une phrase des jours de big block V8, où plus de puissance signifiait des moteurs physiquement plus gros qui engloutissaient plus d’air et de carburant. De plus gros cylindres pouvaient aspirer non seulement plus de carburant, mais aussi plus d’air pour brûler complètement avec le carburant, ce qui vous donnait plus de puissance.

Malheureusement, plus de taille signifie également plus de poids, de sorte que certains ingénieurs ont plutôt opté pour l’idée d’injecter plus d’air dans le moteur en le pompant: au lieu de rendre le moteur physiquement plus grand pour aspirer plus d’air, poussez plus d’air dans le moteur de même taille. L’air sous pression pompé dans le moteur est appelé boost, l’augmentation de pression par rapport à la pression de l’air ambiant étant mesurée en PSI ou bar / kilopascals.

Ces premières pompes à air à induction forcée étaient appelées suralimentateurs, et leurs roues de compresseur à pales étaient alimentées par le moteur lui-même via des courroies ou des engrenages entraînés hors du vilebrequin du moteur. La stœchiométrie signifie que chaque petit peu de carburant supplémentaire nécessite 14.7 fois plus d’air, il n’est donc pas surprenant que les superchargeurs utilisent une énorme quantité d’énergie (parfois jusqu’à 20% de la puissance totale du moteur!) pour pomper tout cet air autour.

Plus de punch avec moins de déchets – la taille et le poids du turbocompresseur

sont de mauvaises choses dans les voitures et de pires choses dans les avions, ce qui était beaucoup de développement à induction forcée précoce. Non seulement un moteur lourd fait un avion lourd, mais un moteur physcally grand fait également un fuselage volumineux et non aérodynamique. Dans les avions, il y avait une incitation supplémentaire à pressuriser l’air entrant pour compenser l’amincissement de l’air à haute altitude, empêchant ainsi la puissance du moteur de tomber à haute altitude.

Avec une puissance et un poids aussi élevés dans les avions, l’ingénieur aéronautique suisse Alfred Büchi a eu une onde cérébrale en se débarrassant de cette perte de puissance du compresseur de 20%: au lieu d’utiliser la puissance du moteur via une courroie / des engrenages pour faire tourner le compresseur, connectez la roue du compresseur à une roue de turbine correspondante dans le système d’échappement, capturant l’énergie du flux d’échappement autrement gaspillé comme un moulin à vent capte l’énergie de la brise.

Ces premiers « turbocompresseurs » ou « turbocompresseurs » ont finalement alimenté de nombreux avions de course, bombardiers et chasseurs dans les années 1930 et 1940, et étaient considérés comme une technologie aérospatiale avancée à l’époque, avec des pièces tournant à des centaines de milliers de tours par minute et des roues de turbine exposées à des températures de gaz d’échappement allant jusqu’à 1800 ° F / 1000 ° C. L’adoption d’un équipement aussi coûteux dans les voitures était donc lente et expérimentale au début, avec une poignée de modèles comme la Chevrolet Corvair apparaissant à partir des années 1950 avec un moteur turbo en option.

Le développement du turbocompresseur a marché de pair avec le développement de la turbine à gaz (moteur à réaction) tout au long des années 1950 et 1960.En plus de meilleurs matériaux capables de résister aux températures et pressions élevées du côté chaud du turbo, la disposition générale du turbocompresseur a fini par se normaliser:

• Boîtier latéral froid, qui achemine l’air d’entrée vers le turbo
  • Roue du compresseur, qui pressurise l’air
  • Dérivation du compresseur, qui s’ouvre lorsque vous retirez le gaz pour empêcher l’air de suralimentation de s’accumuler derrière la plaque d’étranglement fermée et provoquer un décrochage du compresseur
• CHRA (ensemble rotatif à carter central, aussi parfois appelé « cartouche »)
  • Arbre sur lequel les roues du compresseur et de la turbine sont toutes deux fixées
  • Paliers d’arbre pour permettre à l’arbre de tourner librement
  • Huilage et refroidissement
• Carter latéral chaud, qui achemine l’air du collecteur d’échappement vers le turbo
  • Roue de turbine, qui capte l’énergie de l’échappement
  • Wastegate, qui s’ouvre lorsque le turbo atteint la poussée cible et envoie un échappement supplémentaire au-delà de la turbine afin qu’il ne tourne pas plus vite

Ce sont les crises énergétiques des années 1970 qui ont vraiment poussé les constructeurs automobiles à envisager sérieusement les turbocompresseurs comme un moyen de réduire la taille des moteurs (et d’améliorer les émissions et l’économie de carburant) sans sacrifier la puissance.

Puissance et contrôle

Les années 1970 et 1980 ont également coïncidé avec la révolution informatique, et ces technologies avancées de contrôle du carburant et du moteur se sont révélées bien adaptées aux performances et à la longévité du turbocompresseur. Des premiers capteurs analogiques de température et de débit dans les années 1970 aux multiples unités de contrôle en réseau dans les années 2000 et au-delà, les systèmes ont évolué pour répondre à la demande de tirer le plus d’énergie possible d’une goutte de carburant:

• Le système de sonde Lambda (capteur d’oxygène), Volvo étant le premier constructeur automobile à utiliser cette combinaison de capteurs pour mesurer le carburant:
  • Capteurs de débit d’air massique, pour mesurer la quantité d’air entrant dans le moteur
  • Injection électronique de carburant, pour mesurer le bon rapport de carburant avec la quantité d’air connue
  • Capteurs d’oxygène (lambda) mesurant n’importe quel reste de carburant ou d’oxygène dans les gaz d’échappement pour voir à quel point près de 14,7:1 stoechiométrique le moteur tourne
• Capteurs de cliquetis pour mesurer la santé et le calage des événements de combustion
• Allumage direct à bobine sur bougie, pour régler le calage de la bougie pour éviter les cliquetis
• Unités de commande du moteur (calculateurs) numérisées pour mesurer en permanence toutes ces entrées et ajuster les sorties
• Schémas de gestion du moteur de demande de couple, à
  • A: déterminer exactement la puissance que le conducteur (via le pied droit du conducteur sur la pédale d’accélérateur) demande pour
  • B: « travailler en arrière », en calculant la plus petite quantité d’accélérateur ouvert, de carburant et de boost nécessaire pour atteindre la cible de puissance du conducteur

La charge et les températures du moteur finement contrôlées, les tolérances d’usinage et l’équilibre plus serrés et les alliages plus avancés ont tous joué un rôle dans l’amélioration de la fiabilité et des performances du turbocompresseur. Au fur et à mesure que les années 80 et 90 progressaient, la turbocompresseur est devenue plus courante, avec des puissances prévisibles et des révisions intermédiaires turbo atteignant maintenant 100 000 miles ou plus.

La conception du turbo changeait également, d’abord avec des solénoïdes à vide commandés par ordinateur ouvrant et fermant la wastegate pour contrôler la suralimentation globale, et avec des modifications fondamentales du turbo lui-même comme des boîtiers de turbine à double défilement et à géométrie variable augmentant l’efficacité du turbo en extrayant autant d’énergie que possible du flux d’échappement.

Alors que nous nous dirigeons vers le 21e siècle, les turbocompresseurs sont essentiels pour extraire une efficacité maximale des moteurs à combustion avant que les véhicules électriques ne soient prêts à prendre le relais des voitures grand public. Le turbo est avec nous depuis presque aussi longtemps que la voiture elle-même, mais il reste encore du travail à faire.

Pour des informations plus détaillées sur les composants du turbocompresseur et l’entretien du système, consultez notre article sur les problèmes de turbo courants.