Un moteur à essence libère de l’énergie en brûlant du carburant, et le carburant a besoin d’oxygène pour brûler. Dans un moteur normal, le piston aspire l’air à peu près à la pression atmosphérique, donc la quantité d’air par course est limitée par la cylindrée. Un turbocompresseur ou un compresseur volumétrique est un compresseur qui pousse l’air à plus haute pression, si bien que le même cylindre en contient davantage. Les chiffres ci-dessous relèvent de la physique de manuel, et non de mesures au banc de puissance pour une voiture réelle.
Plus d’air, plus de carburant, plus de puissance
Le mélange dont un moteur à essence a besoin est fixé par la chimie : environ 14.7 kg d’air pour 1 kg d’essence pour une combustion complète (le rapport stœchiométrique). Une fois ce rapport fixé, le carburant que l’on peut brûler est proportionnel à la masse d’air que l’on fait entrer dans le cylindre. La puissance est à peu près proportionnelle au carburant brûlé, donc doubler la masse d’air permet de brûler environ deux fois plus de carburant. En pratique le gain est un peu moindre, mais c’est la masse d’air qui décide.
La masse d’air est égale à la masse volumique multipliée par le volume. Le volume du cylindre est fixe, donc le seul moyen d’augmenter la masse est d’augmenter la masse volumique. C’est tout ce que fait la suralimentation.
La suralimentation est une pression relative
Un manomètre de suralimentation indique la pression au-dessus de l’air ambiant, appelée pression relative. Le moteur s’intéresse à la pression absolue, qui est la lecture du manomètre plus la pression atmosphérique. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique standard est de 1.013 bar (environ 14.7 psi). Donc avec 1 bar de suralimentation :
pression absolue = 1.013 + 1 = 2.013 bar
Le rapport est 2.013 ÷ 1.013 = 1.987, donc 1 bar de suralimentation double presque exactement la pression. Une demi-barre donne 1.513 ÷ 1.013 = 1.49 fois, et 1.5 bar donne 2.513 ÷ 1.013 = 2.48 fois.
Masse volumique, et pourquoi la chaleur la dégrade
Pour l’air traité comme un gaz parfait, P = ρ × R × T, donc la masse volumique est ρ = P ÷ (R × T), avec T en kelvins et R = 287 J/(kg·K) pour l’air. À 20 °C (293.15 K) et 1.013 bar, la masse volumique vaut 101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 kg/m³, soit 1.204 g par litre.
La pression seule la doublerait. Mais comprimer un gaz le chauffe. Pour un compresseur idéal sans perte de chaleur, la température de sortie est T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857, où 0.2857 vaut (γ − 1) ÷ γ pour l’air avec γ = 1.4. En utilisant le rapport de pression de 1.987 :
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K, soit 83.5 °C
C’est le meilleur cas. Les compresseurs réels chauffent davantage. L’air chaud est moins dense. La masse volumique est maintenant de 2.013 bar à 356.7 K, soit 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633 fois l’original, et non 1.987 fois. La chaleur a coûté 18% de la densité que vous avez payée.
Un refroidisseur d’air est un radiateur pour l’air comprimé. Supposons qu’il refroidisse la charge à 40 °C (313.15 K). La masse volumique vaut alors 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860 fois l’original, soit 14% de plus que les 1.633 non refroidis (1.860 ÷ 1.633 = 1.139).
Par litre de cylindrée, cela fait 1.204 g d’air sans suralimentation et 1.204 × 1.860 = 2.24 g refroidi. Avec un rapport de 14.7 pour 1, le carburant qui va avec est de 0.082 g contre 0.152 g. Ce sont des chiffres idéaux, avec un cylindre qui se remplit complètement.
Turbocompresseur : entraîné par les gaz d’échappement
Un turbocompresseur place une turbine dans le flux d’échappement. Le gaz chaud la fait tourner, et un arbre la relie au compresseur côté admission. Il n’y a aucune liaison mécanique avec le vilebrequin.
L’inconvénient est qu’il réagit au débit d’échappement. À bas régime et à faible ouverture du papillon, il y a peu de gaz pour faire tourner la turbine, donc peu de suralimentation se forme. Le régime moteur auquel une suralimentation utile apparaît est le seuil de suralimentation. Après une ouverture brusque du papillon, la turbine et le compresseur doivent accélérer, et le débit de gaz doit monter, avant que la pression n’augmente. Ce délai est le temps de réponse du turbo. Une soupape de décharge (wastegate) laisse les gaz d’échappement contourner la turbine une fois la pression cible atteinte, ce qui empêche la suralimentation de grimper à mesure que le débit d’échappement augmente.
Compresseur volumétrique : entraîné par une courroie
Un compresseur volumétrique est entraîné par le vilebrequin, généralement par une courroie. Sa vitesse suit celle du moteur, donc la suralimentation est disponible presque dès le ralenti et réagit dès que le papillon s’ouvre.
Le prix à payer est une perte parasite : le compresseur prélève sa puissance sur le vilebrequin. Le travail minimal pour comprimer l’air est cp × T₁ × (rapport^0.2857 − 1) par kilogramme, avec cp = 1,005 J/(kg·K). Cela fait 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 kJ/kg. Pour un débit d’air supposé de 0.1 kg/s, cela représente au minimum 6.4 kW, soit 8.6 hp ; un compresseur réel en demande davantage. Un turbo demande le même travail de compression, mais le prend aux gaz d’échappement, au prix d’une certaine contre-pression.
Les deux font le même travail : élever la pression absolue de l’air d’admission. Le turbo tire son énergie des gaz d’échappement et ne réagit qu’à partir d’un certain régime. Le compresseur la prélève sur le vilebrequin et réagit immédiatement. Refroidir la charge ensuite permet de conserver la masse volumique payée.
Ce qu’il faut chercher sur une courbe au banc de puissance
Un moteur suralimenté a tendance à montrer un fort couple à bas régime, tandis que le couple d’un moteur turbo grimpe à mesure que la suralimentation se forme. La formule de l'article sur le graphique du banc d'essai, hp = couple × tr/min ÷ 5,252, s’applique toujours. Le rapport de transmission détermine ensuite l’usage que l’on fait de la courbe ; voir l'article sur les rapports de boîte.
Dans le jeu
Pink Slip Kings propose la suralimentation parmi les réglages ajustables, ainsi qu’un banc de puissance pour comparer la puissance et le couple. Sa fiche ne décrit ni turbocompresseurs, ni compresseurs volumétriques, ni refroidisseurs d’air, donc la physique exposée ici est un contexte réel, et non une description de la façon dont le jeu les modélise. Le jeu est en test fermé.
Pink Slip Kings: Drag Racing est un jeu de course de dragsters en 3D avec des commandes de départ et de changement de vitesse manuelles, un réglage détaillé des rapports de boîte, du pont, de la suralimentation et du régime de départ, un banc de puissance, de la télémétrie et des fiches de temps de course. Il se joue hors ligne, sans publicité ni achat intégré, et l’argent et les voitures du jeu ne s’achètent ni ne s’échangent contre de l’argent réel. Le jeu est actuellement en test fermé.