Induction forcée - Forced induction
L'induction forcée est le processus consistant à fournir de l'air comprimé à l'admission d'un moteur à combustion interne . Un moteur à induction forcée utilise un compresseur à gaz pour augmenter la pression, la température et la densité de l'air . Un moteur sans induction forcée est considéré comme un moteur à aspiration naturelle .
introduction
L'induction forcée est utilisée dans l'industrie automobile et aéronautique pour augmenter la puissance et l'efficacité du moteur. Un moteur à induction forcée est essentiellement composé de deux compresseurs en série. La course de compression du moteur est la compression principale de chaque moteur. Un compresseur supplémentaire alimentant l'admission du moteur provoque une induction forcée d'air. Un compresseur alimentant une pression dans un autre augmente considérablement le taux de compression total de l'ensemble du système. Cette pression d'admission est appelée boost. Cela aide particulièrement les moteurs d'aviation, car ils doivent fonctionner à des altitudes plus élevées avec des densités d'air plus faibles.
Les moteurs à compression plus élevée ont l'avantage de maximiser la quantité d'énergie utile dégagée par unité de carburant. Par conséquent, l'efficacité thermique du moteur est augmentée conformément à l'analyse du cycle de puissance de vapeur de la deuxième loi de la thermodynamique. La raison pour laquelle tous les moteurs n'ont pas une compression plus élevée est que pour un indice d'octane donné, le carburant explosera prématurément avec un taux de compression supérieur à la normale. C'est ce qu'on appelle le pré - allumage , la détonation ou le cliquetis et peut causer de graves dommages au moteur. Une compression élevée sur un moteur à aspiration naturelle peut atteindre assez facilement le seuil de détonation. Cependant, un moteur à induction forcée peut avoir une compression totale plus élevée sans détonation car la charge d'air peut être refroidie après la première étape de compression, à l'aide d'un refroidisseur intermédiaire .
L'une des principales préoccupations concernant les émissions de combustion interne est un facteur appelé fraction de NOx , ou la quantité de composés azote/oxygène que le moteur produit. Ce niveau est réglementé par le gouvernement pour les émissions comme on le voit couramment dans les stations d'inspection. Une compression élevée provoque des températures de combustion élevées. Des températures de combustion élevées entraînent des émissions de NOx plus élevées, ainsi l'induction forcée peut donner des fractions de NOx plus élevées.
Types de compresseurs
Deux compresseurs à induction forcée couramment utilisés sont les turbocompresseurs et les compresseurs . Un turbocompresseur est un compresseur centripète entraîné par le flux de gaz d'échappement. Les compresseurs de suralimentation utilisent différents types de compresseurs, mais sont tous alimentés directement par la rotation du moteur, généralement par l'intermédiaire d'un entraînement par courroie. Le compresseur peut être centrifuge ou de type Roots pour une compression à déplacement positif. Un exemple de compresseur interne est un compresseur à vis ou un compresseur à piston.
Turbocompresseurs
Un turbocompresseur s'appuie sur le volume et la vitesse des gaz d'échappement pour faire tourner (bobiner) la roue de turbine, qui est reliée à la roue du compresseur via un arbre commun. La pression de suralimentation réalisée peut être régulée par un système de soupapes de décharge et de contrôleurs électroniques. Le principal avantage d'un turbocompresseur est qu'il consomme moins d'énergie du moteur qu'un compresseur; historiquement, le principal inconvénient a été que la réponse du moteur souffre considérablement car il faut du temps au turbocompresseur pour atteindre sa vitesse (spool up). Ce retard dans la livraison de puissance est appelé turbo lag . Toute conception de turbo donnée est intrinsèquement une conception de compromis; un turbo plus petit s'enroulera rapidement et fournira une pression de suralimentation complète à bas régime, mais la pression de suralimentation souffrira à un régime moteur élevé. Un turbo plus gros, en revanche, offrira des performances améliorées à haut régime au détriment de la réponse à bas régime. D'autres problèmes de conception courants incluent la durée de vie limitée de la turbine, en raison des températures d'échappement élevées auxquelles elle doit résister et de l'effet restrictif de la turbine sur le débit d'échappement. Comme les turbocompresseurs peuvent considérablement améliorer l'efficacité du moteur, ils sont devenus de plus en plus courants sur les moteurs automobiles traditionnels ; des turbocompresseurs à géométrie variable et d'autres technologies ont été introduits dans le but de réduire le décalage du turbo et d'améliorer la maniabilité.
Superchargeurs
Les compresseurs de suralimentation n'ont presque pas de temps de latence pour augmenter la pression car le compresseur tourne toujours proportionnellement à la vitesse du moteur. Ils ne sont pas aussi courants que les turbocompresseurs car ils utilisent le couple produit par le moteur pour fonctionner. Cela entraîne une certaine perte de puissance et d'efficacité. Un compresseur de type Roots utilise des palettes sur deux tambours rotatifs pour pousser l'air dans l'admission. Parce qu'il s'agit d'un dispositif volumétrique, ce compresseur a l'avantage de produire le même rapport de pression à n'importe quel régime moteur. Un compresseur à vis est également un dispositif de déplacement positif , comme un compresseur de type Roots. Les compresseurs de suralimentation à vis sont plus complexes à fabriquer que les compresseurs de type Roots, mais sont plus efficaces à exploiter, produisant une sortie d'air plus froide. Un compresseur de type centrifuge n'est pas un dispositif à déplacement positif et aura généralement une meilleure efficacité thermique qu'un compresseur de type Roots. Les compresseurs centrifuges sont également plus compacts et plus faciles à utiliser avec un refroidisseur intermédiaire.
Refroidissement intermédiaire
Un effet secondaire inévitable de l'induction forcée est que la compression de l'air augmente sa température. En conséquence, la densité de charge est réduite et les cylindres reçoivent moins d'air que la pression de suralimentation du système ne le prescrit. Le risque de détonation, ou « cognement », augmente fortement. Ces inconvénients sont compensés par le refroidissement par air de suralimentation, qui fait passer l'air sortant du turbocompresseur ou du compresseur de suralimentation à travers un échangeur de chaleur généralement appelé refroidisseur intermédiaire . Cela se fait en refroidissant l'air de suralimentation avec un flux ambiant d'air (refroidisseur intermédiaire air-air) ou de liquide (refroidisseur intermédiaire liquide-air). La densité de l'air de suralimentation est augmentée et la température est réduite. De cette façon, un refroidisseur intermédiaire peut augmenter considérablement la capacité d'exécuter des taux de compression absolus plus élevés et tirer pleinement parti de l'utilisation de compresseurs en série. Les seuls inconvénients du refroidissement intermédiaire sont la taille du refroidisseur intermédiaire (généralement proche de la taille d'un radiateur) et la plomberie et la tuyauterie associées.
Injection d'eau
L'injection d'eau est un autre moyen efficace de refroidir l'air de suralimentation pour empêcher la détonation . Le méthanol est mélangé à l'eau pour empêcher le gel et agir comme un carburant à combustion plus lente. L'injection d'eau, contrairement à l'oxyde nitreux ou à l'induction forcée, n'ajoute pas beaucoup de puissance au moteur en soi, mais permet d'ajouter plus de puissance en toute sécurité. Il fonctionne en étant pulvérisé dans la charge d'air comprimé. L'eau absorbe de la chaleur en s'évaporant pour refroidir la charge et abaisser les températures de combustion. L'alcool est également un carburant dans la charge qui brûle plus lentement et plus froidement que l'essence. En raison des températures d'admission plus basses et de la charge d'air plus dense, une pression de suralimentation et une avance de synchronisation plus élevées peuvent être ajoutées en toute sécurité sans utiliser de carburant à indice d'octane plus élevé. Il est le plus souvent utilisé dans les applications de course, mais il s'est également avéré pratique pour une utilisation prolongée.
Moteurs diesel
Quatre temps
Les moteurs diesel n'ont pas de problèmes de pré-allumage car le carburant est injecté à la fin de la course de compression, donc une compression plus élevée est utilisée. La plupart des moteurs diesel modernes utilisent un turbocompresseur. En effet, l'échappement d'un diesel est exceptionnellement puissant, ce qui le rend excellent pour alimenter un turbo. La plage de régime moteur est plus étroite, ce qui permet à un seul turbo d'alimenter pleinement l'ensemble de la plage moteur. Les turbocompresseurs peuvent également atteindre une pression de suralimentation plus élevée que les compresseurs de suralimentation, ce qui est nécessaire pour la plupart des moteurs diesel.
Deux temps
Les moteurs diesel à deux temps fonctionnent différemment des moteurs à essence et doivent avoir une certaine forme d'induction forcée - généralement un compresseur - pour fonctionner.
Considérations sur la conception
La conception des moteurs à essence et le taux de compression ont un impact sur le boost maximal possible. Pour obtenir plus de puissance à partir de niveaux de suralimentation plus élevés et maintenir la fiabilité, de nombreux composants du moteur doivent être remplacés ou mis à niveau par rapport aux groupes motopropulseurs à aspiration naturelle. Les considérations de conception incluent la pompe à carburant, les injecteurs de carburant, les pistons, les bielles, les vilebrequins, les soupapes, le joint de culasse et les boulons de culasse. L'augmentation maximale possible dépend de l'indice d'octane du carburant et de la tendance inhérente de tout moteur particulier à la détonation . De l'essence super ou de l'essence de course peut être utilisée pour empêcher la détonation dans des limites raisonnables. L'éthanol, le méthanol, le gaz de pétrole liquéfié (GPL) et le gaz naturel comprimé (GNC) permettent un boost plus élevé que l'essence, en raison de leur plus grande résistance à l'auto-inflammation (moins de cognement). Les moteurs diesel peuvent également tolérer des niveaux de pression de suralimentation beaucoup plus élevés que les moteurs à cycle Otto , car seul l'air est comprimé pendant la phase de compression et le carburant est injecté plus tard, éliminant complètement le problème de cliquetis.
motocyclettes
Les considérations de conception uniques pour les motos incluent la livraison de puissance tractable; et emballage pour l'évacuation de la chaleur, la conservation de l'espace et le centre de gravité souhaité .