Les menus de réglage et les fiches de banc d'essai indiquent la suralimentation en psi ou en bar, et les chiffres paraissent petits à côté de la puissance qu'ils produisent. La raison est simple une fois que l'on distingue les deux pressions en jeu. Les chiffres ci-dessous relèvent de la physique classique pour un moteur essence, et non de mesures sur une voiture donnée. Pour les bases du fonctionnement d'un turbo ou d'un compresseur, voir l'article sur le turbo ou le compresseur; celui-ci porte sur ce que vaut chaque psi.
Pression relative et rapport de pression
Un manomètre de suralimentation indique la pression au-dessus de l'air environnant. L'air extérieur pèse déjà 14.7 psi (1.013 bar) au niveau de la mer, donc la pression dans le collecteur d'admission est la lecture plus 14.7. Le chiffre qui compte est le rapport de pression:
rapport de pression = (14.7 + suralimentation) ÷ 14.7
À 10 psi, cela fait 24.7 ÷ 14.7 = 1.68. Le moteur ne voit pas « 10 de plus », il voit 68% de pression en plus que sans suralimentation. En unités métriques, le même calcul s'applique : 1 psi vaut 0.0689 bar, et 1 bar vaut environ 14.5 psi.
Ce que vaut un psi
Un cylindre a un volume fixe, donc la masse d'air qu'il contient suit la densité, et la densité suit la pression absolue quand la température ne change pas. Un moteur brûle du carburant en proportion de l'air qu'il reçoit, donc, dans le cas idéal, la puissance augmente au même rythme que le rapport de pression. Ajouter 1 psi fait passer le rapport de 1 ÷ 14.7 = 0.068, soit environ 6.8% d'air en plus par psi mesuré par rapport au moteur non suralimenté.
Ces 6.8% valent pour les premiers psi, et sont mesurés par rapport à la base, non à l'étape précédente. Chaque psi supplémentaire ajoute le même 0.068 au multiplicateur, mais le pourcentage au-dessus du chiffre déjà suralimenté diminue. Passer de 20 à 21 psi ajoute 0.068 à 2.36, soit une hausse de 2.9% par rapport à votre point de départ.
Lisez-le comme un plafond. Doubler l'air demande environ 14.7 psi, et 15 psi donne 2.02. Aucun moteur ne délivre 3.04 fois sa puissance à 30 psi, pour les raisons ci-dessous.
La compression chauffe l'air
Comprimer un gaz le réchauffe. Pour un compresseur idéal qui ne perd pas de chaleur, la température de sortie est
T₂ = T₁ × PR^((γ − 1) ÷ γ)
avec γ = 1.4 pour l'air, donc l'exposant vaut 0.2857, et les températures en kelvin. Prenons un air admis à 20 °C (293.15 K) et 15 psi, où PR = 2.02 :
- 2.02^0.2857 = 1.2226
- T₂ = 293.15 × 1.2226 = 358.4 K, soit 85.2 °C
Les compresseurs réels fournissent plus de travail à l'air que le compresseur idéal. Si le rendement du compresseur est η, la hausse de température réelle est la hausse idéale divisée par η. La hausse idéale est ici de 65.2 K. Avec un rendement supposé de 70%, la hausse est de 65.2 ÷ 0.70 = 93.1 K, donc l'air sort à 113.2 °C. Les 70% sont une illustration, et non un chiffre pour un compresseur précis.
La densité est proportionnelle à la pression divisée par la température absolue, donc l'air chaud est moins dense que ne le suggère le rapport de pression : 2.02 × 293.15 ÷ 386.4 = 1.53. Of the 2.02 the pressure promised, 1.53 arrives as density, about 24% less than ideal.
Le refroidisseur d'air récupère une partie
Un refroidisseur d'air (intercooler) retire de la chaleur à l'air comprimé avant son entrée dans le moteur. S'il ramène la charge à 40 °C (313.15 K), la densité à 15 psi est de 2.02 × 293.15 ÷ 313.15 = 1.89, soit 23% de plus que le 1.53 sans refroidissement à la même suralimentation. C'est pourquoi la même lecture de manomètre peut représenter des quantités d'air très différentes selon les voitures.
À 15 psi : rapport de pression idéal 2.02, densité avec un compresseur de rendement 70% et sans refroidissement 1.53, densité refroidie à 40 °C 1.89. La pression est la même dans les trois cas. Seule la température diffère.
Pourquoi les gains réels sont encore plus faibles
La densité n'est que la première limite. L'air chaud et dense dans un cylindre élève la température pendant la compression, et si l'extrémité du mélange s'enflamme spontanément avant que la flamme ne l'atteigne, cela produit un cliquetis, un pic de pression brutal qui peut endommager les pistons. Les moteurs gèrent cela en retardant l'allumage, en ajoutant du carburant pour refroidir la charge, ou en abaissant le taux de compression, et chacune de ces solutions sacrifie une partie de la puissance que l'air supplémentaire aurait pu produire. L'alimentation en carburant, la résistance des pièces du moteur et l'adhérence des pneus fixent d'autres plafonds à ce que l'on peut exploiter d'une suralimentation donnée.
Le multiplicateur idéal est donc un guide de direction et d'ordre de grandeur, et non une prévision. On peut raisonnablement s'attendre à ce que les premiers psi donnent près des 6.8% chacun, et que les suivants donnent moins par psi, surtout sans refroidissement.
Dans le jeu
Pink Slip Kings répertorie la suralimentation parmi les valeurs réglables lors du réglage, avec les rapports de boîte, le rapport de pont et le régime de départ, et il dispose d'un banc d'essai pour comparer chevaux et couple. Sa fiche ne dit pas comment la suralimentation, la chaleur ou le cliquetis sont modélisés, donc tout ce qui précède relève de la physique réelle, et non d'une description des règles du jeu. Pour voir comment une hausse de puissance apparaît sur une courbe, lisez l'article sur le graphique du banc d'essai, et pour savoir comment le couple rencontre les pneus, l'article sur le régime de départ.
Pink Slip Kings: Drag Racing est un jeu de course de dragsters en 3D avec des commandes manuelles de départ et de changement de vitesse, un réglage détaillé des rapports de boîte, du rapport de pont, de la suralimentation et du régime de départ, et un banc d'essai. Il se joue hors ligne, sans publicité ni achats intégrés, et l'argent et les voitures du jeu ne peuvent être ni achetés ni échangés contre de l'argent réel.