Suralimentation acoustique
07 janvier 2007
Lors du passage du V10 au V8 la FIA a interdit l’utilisation des trompettes variables. Ce système permettait d’améliorer le remplissage des cylindres sur une large gamme de régime. Pour mieux comprendre leur fonctionnement et le phénomène physique qui se cache derrière voici une rapide introduction aux phénomènes acoustiques.
La puissance d’un moteur au sens thermodynamique peut s’écrire sous la forme (en prenant pas en compte les rendements) :
mf: débit masse de combustible
Qhv: pouvoir calorifique inférieur du combustible
On voit donc d’après cette formule que pour augmenter la puissance d’un moteur on ne peut qu’augmenter le débit de combustible, le PCI du combustible étant invariable. Pour augmenter le débit à un régime donné il faut donc trouver le moyen d’introduire plus de combustible, par conséquent plus de mélange dans un cylindre d’un volume donné.
On aborde maintenant la notion de taux de remplissage. Le taux de remplissage τ correspond au rapport de la masse demélange réellement introduite dans le cylindre Me sur la masse de mélange correspondant au volume du cylindre dans des conditions de pression et de température ambiante Mth.
Si on reprend la loi des gaz parfaits:
V: le volume
m: masse
r: constante des gaz parfaits
T: température
Cette formule montre que pour augmenter la masse d’air d’un volume il faut augmenter la pression ou diminuer la température.
Revenons maintenant aux moteurs. Si on part du principe que le dessin interne de la culasse a été optimisé au maximum afin de limiter les pertes de charges et que l’épure de distribution est elle aussi optimisée au maximum il suffit d’augmenter la pression de l’air à l’admission. C’est de ce constat qu’est venue l’idée de la suralimentation par compresseur mécanique ou turbocompresseur.
Lancé par Renault en F1, la turbosuralimentation permettait à des moteurs de 1,5l de cylindrée d’atteindre près de 1230ch. La pression de suralimentation dépassait alors les 4 bars. A cela on ajoutait des échangeurs qui permettaient de limiter la baisse de densité provoquée par la hausse de température inhérente à sa compression.
Plus tard la suralimentation fut interdite en F1 et le retour aux moteurs atmosphériques obligea les ingénieurs motoristes à trouver de nouvelles solutions pour améliorer le remplissage des moteurs.
A l’admission l’écoulement est instationnaire. Il en résulte des phénomènes de vibration de la colonne gazeuse dans le conduit d’admission qui influe grandement sur le remplissage. La vibration est caractérisée par la propagation d’une onde de pression dans le conduit d’admission. Une onde de pression étant purement et simplement un son, c’est pour cela qu’on parle de suralimentation acoustique.
Voici deux méthodes qui permettent de tirer avantage de ce phénomène vibratoire.
LA VIBRATION QUART D’ONDE
Les gaz ayant une inertie, l’ouverture et la fermeture répétée de la soupape d’admission ont pour effet de mettre en vibration la colonne gazeuse. Voici le détail de ce phénomène:
Plaçons nous en fin du cycle d’admission. La colonne gazeuse est en vitesse lorsque la soupape d’admission se referme violemment. Il y a dés lors l’apparition d’un phénomène de compression au niveau de la chapelle de soupape, qui engendre à son tour la formation d’une onde de pression qui remonte le conduit.
L’onde de pression arrive à l’extrémité du conduit et se transforme en onde de dépression qui redescend vers la soupape.
L’onde se réfléchit sur la soupape et repart vers l’extrémité libre.
L’onde de dépression arrivée à l’extrémité du conduit se transforme en une onde de pression qui redescend vers la soupape. C’est à ce moment qu’il serait intéressant d’ouvrir la soupape d’admission pour profiter de la grande différence de pression et ainsi améliorer le remplissage.
Entre deux surpression au point A, l’onde doit parcourir au minimum 4*L (soit 8L, 12L, 16L,…) pour que la pression soit à son maximum au niveau de la soupape. La période de vibration est donc:
T0:période de la vibration
L: longueur du conduit
C: célérité du son=vitesse de propagation de l’onde. Rappel: 
f: fréquence de la vibration
k: représente l’harmonique de la vibration. C’est un entier >0.
Si on veut profiter de cette surpression pour améliorer le remplissage et ainsi avoir l’accord acoustique, il est nécessaire que la soupape s’ouvre toutes les T0 secondes.
Appelons:
-tf: temps de fermeture de la soupape
-Teta a: l’angle total d’ouverture de la soupape
-Teta f: l’angle de fermeture de la soupape
A un régime N (tr/min):
Application: Détermination des régimes d’accords
On prend ici un moteur quelconque dont on désire connaître les régimes d’accords acoustiques.
Données: L=0,6m, AOA=62°, RFA=58° et Température des gaz à l’admission=40°c
Application numérique:
Teta a=300°
C=357m/s
| k |
N (tr/min) |
| 1 |
10500 |
| 2 |
5075 |
| 3 |
3380 |
| 4 |
2450 |
On voit maintenant qu’en fonction de l’harmonique on peut avoir plusieurs régimes d’accords acoustiques. Toutefois plus l’harmonique est importante et moins l’énergie contenue dans l’onde de pression est importante. En effet, plus l’onde parcours de distance et plus elle s’atténue. La première harmonique est donc la plus intéressante.
Sur l’application précédente on peut voir que le premier régime d’accord se trouve à 10500 tr/min. Imaginons maintenant que l’on veuille faire varier le premier régime d’accord avec le régime. Il suffit pour cela de faire varier la longueur de l’admission en continu ce qui permettrait d’avoir un remplissage maximum en permanence.
C’est en partant de cette idée que les ingénieurs motoristes ont créé des trompettes d’admission amovibles. Ils peuvent ainsi faire varier à loisir la longueur du conduit d’admission et profiter ainsi des régimes d’accord. Ci-dessous le système utilisé par Ferrari:
Ce système de longueur d’admission variable est finalement assez simple. Il est constitué de deux éléments. Une base de trompette fixée sur la culasse (qui n’est que le prolongement du conduit d’admission) et une trompette mobile qui coulisse dans la première. L’élément bleu est un joint d’étanchéité.
Cette présentation n’a pour objectif que de présenter les bases du phénomène. En effet, sur les V10 les 10 cylindres génèrent des ondes de pressions et de dépressions qui se propagent dans la boite à air et qui viennent perturber les autres cylindres. Il existe également d’autres phénomènes liés à l’acoustique comme l’effet Kadenacy. Profiter des phénomènes d’ondes est donc loin d’être aussi simple qu’il n’y parait.
©Filipe MARINHO
Articles classé dans : Moteur
14 Commentaires Ajoutez le votre.
1. moreau roger | 24 février 2007 à 12:17
bravo,et merci de ces explications.70 ans,mais toujours passionne de sport mecanique.
roger moreau
2. MARAIS Thibault | 03 mars 2007 à 12:04
Bonjour,
Je m’appelle MARAIS Thibault et suis étudiant en PT. Je recherche une personne, en région parisienne avec des connaissances assez développées en matière de motorisation d’un point de vue technique et fonctionnel qui pourrait m’aider dans mon travail.
Je travaille dans l’optique de mon sujet de TIPE (épreuve à l’oral du concours), sur l’optimisation du temps d’ouverture des soupapes d’un moteur (2 ou 4 temps). Aussi ayant fait des recherches personnelles, j’aurai aimé parler avec une personne spécialiste qui pourrait me conseiller dans la pertinence de mon travail. Je souhaiterai dans la mesure du possible que cette personne puisse m’offrir la possibilité de me montrer concrètement comment faire un réglage de soupape. Pouvoir l’interpeller sur des aspects tels:
. L’utilisation de logiciels qui permettent d’étudier la durée de levée des soupapes
. Comment régler les AOA, RFA, AOE, RFE pour optimiser le calage
. Le rôle de l’arbre à came
. Comment dimensionner au mieux les soupapes
. L’influence de tous ses paramètres sur l’échappement et le rendement du moteur
J’espère que vous êtes ou que pourrez m’orienter vers la personne qui pourra me renseigner sur ces différents points.
Je vous remercie de m’avoir lu et attend votre réponse impatiemment. Bonne journée.
MARAIS Thibault, email: marais.thibault@orange.fr
3. DUBRUNQUET ALAIN | 17 mars 2007 à 18:02
Passionné de sports mécaniques surtout la F1, j’ai trouvé ce document très intéressant. Ayant eu l’occasion de mettre en application les phénomènes de résonnance
sur des moteurs 2 temps de 3,5 cm3 propulsant des autos radiocommandées pendant 15 ans.
J’ai 60 ans et m’intéresse toujours autant aux moteurs!
Bravo et merci.
4. Filipe MARINHO | 06 avril 2007 à 10:34
Bonjour Thibault. Je te conseil de repasser de temps à autres sur le site car je prépare un article qui devrait t’intéresser. A défaut n’hésite pas à poser des questions sur le forum, les menbres n’hésiterons pas à t’aider.
Bon courage
5. Mokhtar | 12 juin 2007 à 14:58
Chapeau!
trés trés interessant!
bravo.
6. Luteya | 21 juillet 2007 à 23:24
merci
7. rob | 16 septembre 2007 à 18:45
Très beau site !
Rubrique très intéressante !
Juste une petite erreure à noter :
L’équation des gaz parfait n’est pas P*V=m*R*T
Mais bien P*V=n*R*T où n est le nombre de moles de gaz. Si on veut appliquer la formule avec la masse on doit se servir de l’équation n = m/M (m la masse de gaz et M la masse molaire en g/mol)
On aura donc P*V=(m*R*T)/M
ou bien
P*V*M=m*R*T
si on ne prend pas en compte M, la solution est fausse (pour un gaz) !
Sinon très bon article !
Merci !
8. Mick | 08 octobre 2007 à 21:32
Je me permet de rectifier la remarque de rob : la formule P*V=m*r*T est tout à fait valable dans le cas où r ne correspond pas à la constante des gaz parfaits mais à la constante thermodynamique du gaz considéré. Dans ce cas la formule est utilisable sans considérer la masse molaire car r = R/M avec R = constante des gaz parfaits.
Cette version de la formule est souvent utilisée. Il est donc juste utile de corriger dans cette article la légende définissant r.
Sinon super article!!
9. hofstra | 17 octobre 2007 à 3:24
Loi de Mariotte pour les gaz parfaits pour pinailler …
10. charbel | 26 décembre 2007 à 13:50
merci pour ce sujet.
je suis en train de faire un projet concernanat la suralimentation acoustique, donc SVP si vous avait plus des documents concernant ce sujet,veuillez me les envoyer par mail, soit les mettre sur ce site.
11. Alex | 25 février 2008 à 11:34
Bonjour Filipe,
Tout d’abord, Felicitation pour le sujet.
D’autre j’aurrais une question concernant ce que tu appelles fréquence de vibration.
Qu’entends tu par fréquence de “vibration”? Est-ce l’équivalent de fréquence de résonance?
12. michel | 24 mars 2008 à 18:50
je suis à la recherche de documentation sur l’optimisation des culasses hémisphériques ainsi que l’optimisation des villebrequins des moteurs 2 temps. Pourriez vous m’indiquer ou me procurer ces supports technique?
avec mes remerçiements.
13. Sylvain | 26 avril 2008 à 20:26
bonjour, je suis cousin du quebec, tres belle article.
je suis millright machiniste et je possede une voiture sport compact modifié.
J’aimerais tenté l’expérience de me fabriquer une “intake“ je m’excuse de ma familiaritée avec les thermes englais, je crois que c’est chambre d’admission en bon francais, pour un moteur V-tech 2.2L j’aimerais avoir des spécifications et des plans de chambres d’admission avec résonance accoustique pour des moteurs du meme niveau de cylindricitée.
ce serait tres aprécié, e-mail bootss5@hotmail.com
merci.
14. Jerome | 23 juin 2009 à 4:24
Cet article est très bien mené et me rappelle une certaine collection … ETAI.
Pour les passionnés de motorisme voici quelques bonnes références,
En Français:
La préparation des moteurs, ETAI, Patrick Michel
Technologie des injections électroniques et performance moteur, ETAI, Laurent Benoit
Moteurs à essence, tome 1& 2, ETAI
En général les ouvrages ETAI sont d’excellente qualité.
http://www.etai.fr
En Anglais:
Les éditions Haynes, pendant anglophone de l’ETAI, publie aussi de très bons ouvrages.
http://www.haynes.co.uk/
Forced Induction Performance Tuning
A practical guide to supercharging and turbocharging
A. Graham Bell
Attention, il existe bien d’autres ouvrages de cet auteur, je ne remets plus la main dessus, mais ils sont tous bien présentés et cohérents.
Pour les plus ambitieux, il existe une édition du M.I.T. qui compile en deux ouvrages l’ensemble des composants d’un moteur.
Jusque là rien de spécial, mais en réalité, chaque composant est détaillé, étudié, les matériaux utilisables listés. Des études statistiques et qualitatives sont menées et présentées pour les différents types de moteurs. Une bible pour l’ingénieur motoriste ou le passionné de motorisme ( c’est très scolaire ).
Sans vouloir faire long:
http://automobile.sae.org/
C’est une mine d’informations, souvent payantes, mais ça en vaut largement le prix.
Bonne lecture,
Jérôme
Laisser un commentaire
Tags HTML autorisés :
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>
Suivez cet article via RSS | Souscrivez aux commentaires via le Flux RSS