Comment suralimenter l'air entrant dans votre moteur, sans compresseur

Sep 11, 2023

Faire sauter le capot d'une nouvelle Mercedes-Benz 300SL Gullwing a dû être une sacrée expérience pour la plupart des passionnés des années 50. Pour commencer, le six cylindres en ligne de 3,0 litres était incliné à un angle de cinquante degrés. Au-dessus de la bosse, un énorme collecteur d'admission en fonte d'aluminium sans carburateur en vue. Les longs canaux d'admission du Gullwing ne ressemblaient à rien d'autre utilisé à l'époque et servaient d'indicateur pour les moteurs à combustion interne hautes performances.

Dans le collecteur d'admission d'une voiture, l'air entre à la pression atmosphérique, se précipitant vers les soupapes d'admission à une vitesse fulgurante. Mais lorsque les soupapes d'admission se ferment complètement, cet air qui se précipite atteint une impasse et rebondit efficacement, créant une onde de pression. Si vous chronométrez correctement la fréquence de cette onde et le calage des soupapes, vous pouvez faire en sorte que cette onde de pression se dirige vers la soupape d'admission tout comme son ouverture. Cela permet à l'air dirigé dans la chambre de combustion de se pressuriser au-delà de la pression atmosphérique. Cette pression n'est pas supérieure d'une tonne, mais elle est suffisante pour créer un effet de "suralimentation", améliorant l'efficacité volumétrique de la tête.

Avec un canal d'admission court, l'onde de pression à la soupape d'admission rebondit d'avant en arrière à une fréquence élevée, offrant cet effet de suralimentation lorsque le régime d'un moteur augmente. Avec un coureur plus long, l'onde de pression doit parcourir une distance supplémentaire, créant une impulsion d'air à basse fréquence.

« Fondamentalement, plus longtemps donne plus de puissance bas de gamme, et plus court donne plus de puissance haut de gamme », explique Steve Dinan, préparateur automobile et ingénieur de course de BMW et européen de longue date. "La raison en est qu'à un régime plus élevé, vous avez moins de temps [pour qu'une impulsion d'air sous pression arrive à la soupape à fermeture rapide]. Vous devez donc raccourcir le collecteur d'admission pour que l'impulsion puisse y arriver." Selon Autozine, les coureurs de la 300SL étaient longs à aider avec la puissance bas de gamme. (Rappelez-vous qu'il s'agissait d'une adaptation de la grande berline 'six de Mercedes' de 3,0 litres, et non d'un hurleur de course à haut régime.)

Si vous souhaitez profiter de l'effet de suralimentation sur une plus large plage de régimes moteur, vous avez idéalement besoin de canaux d'admission de différentes longueurs. Mercedes a reçu un brevet dans les années 50 pour un système de collecteur d'admission à longueur variable, et dans le numéro de mai 1966 de Road & Track, nous avons détaillé un certain nombre de systèmes d'admission expérimentaux à longueur variable. Ce n'est cependant que dans les années 80 que les constructeurs automobiles ont commencé à utiliser des collecteurs d'admission à longueur variable.

Un excellent premier exemple est la Porsche 928 S4. En dessous de 3500 tr/min, le V8 de 5,0 litres était alimenté par un conduit d'admission plus long. Au-dessus de 3500 tr/min - et selon la position de l'accélérateur - une vanne papillon actionnée par le vide s'est ouverte et le moteur a respiré à travers un trajet plus court. Cela a donné à la 928 S4 au moins 300 lb-pi de couple entre 2700 et 4500 tr/min. Porsche a fait quelque chose de similaire avec la 911 964-gen, bien qu'au lieu d'utiliser des coureurs de différentes longueurs, il a utilisé des tuyaux de différents diamètres reliant les plénums au-dessus de l'un ou l'autre des bancs de cylindres. Ces tuyaux produisaient différentes résonances qui aidaient à augmenter la puissance à différents points de la bande de puissance.

Pour l'une des dernières itérations de son six cylindres à plat refroidi par air, la 911 Carrera de 1996 a reçu un nouveau système d'admission appelé Varioram, qui combinait le système de résonance de Porsche avec des tuyaux de différentes longueurs. Cela offrait au moteur trois modes d'admission différents. En dessous de 5 000 tr/min, le moteur respire par des tuyaux plus longs ; Au-dessus de 5 000 tr/min, le moteur passe à des tuyaux plus courts et une soupape s'ouvre pour remplir le système de résonance ; Au-dessus de 5800 tr/min, le système de résonance s'ouvre pour alimenter encore plus les cylindres en air. Comme Paul Frere l'a noté dans son histoire totémique de la Porsche 911, Varioram a fourni une augmentation de couple significative dans le milieu de gamme, mais le système était complexe. Porsche a abandonné Varioram avec son passage aux flat-six refroidis par eau. Les six cylindres à plat M96 et M97 qui sont apparus dans les 911 des générations 996 et 997 et les Boxster / Cayman des générations 986 et 987 utilisaient un système d'admission à résonance avec seulement deux tuyaux de longueurs différentes, qui reliaient les deux plénums.

Ferrari a utilisé une solution similaire avec ses moteurs des années 90. Le 550 Maranello, par exemple - avec son V-12 illustré en haut de cette pièce - utilisait un système à 12 vannes papillon qui allongeait efficacement le conduit d'admission de chaque cylindre. À ce jour, Ferrari utilise des systèmes similaires sur ses V-12. Un point fort particulier, l'admission à longueur variable en continu de LaFerrari, qui utilise un système d'engrenage à pignon pour donner une gamme de longueurs de canaux d'admission. Ce n'est pas seulement exotique non plus. Le V6 Duratec de 2,5 litres de Ford avait un système avec des ensembles de tuyaux longs et courts, tandis que Honda a utilisé des prises d'air à longueur variable pendant plusieurs années. Le N62 V-8 de BMW, utilisé dans ses plus grosses voitures au début des années 2000, avait également un système d'admission à variation continue.

Le système le plus spectaculaire a peut-être été déployé en course, avec le R26 à quatre rotors de Mazda. Les moteurs rotatifs ne produisent pas beaucoup de couple à bas régime et produisent la majeure partie de leur puissance à haut régime. Mazda a proposé un système sauvage qui pouvait modifier la longueur de ses quatre trompettes d'admission, les transformant en une sorte de trombone d'admission. Dans la 787B, le moteur développait 690 ch à 9 000 tr/min et 448 lb-pi de couple à 6 000 tr/min, et son excellente économie de carburant a permis à Mazda de remporter sa première et unique victoire au Mans, en 1991.

Vous pouvez également coupler l'échappement à ces systèmes d'admission résonnants. Lorsque l'air expulsé du moteur atteint le collecteur d'échappement, il crée une zone de basse pression. Dinan explique que cette pression négative augmente lorsque l'air passe à travers les primaires d'échappement et revient à travers la soupape d'échappement. Si vous avez un peu de chevauchement de soupapes - lorsque la soupape d'échappement s'ouvre et que la soupape d'admission se ferme - vous pouvez utiliser cette impulsion d'échappement pour aider à aspirer plus d'air dans le cylindre.

"Cette onde de pression négative monte à travers la soupape d'échappement… jusqu'à l'extrémité du canal d'admission et crée une zone de pression négative qui augmente le débit d'air à plus de 100% d'efficacité", explique Dinan.

Bien que l'article susmentionné de notre mai 1966 publie des concepts détaillés pour un collecteur d'échappement de longueur variable, aucun n'a été produit car, eh bien, le collecteur d'échappement est chaud et les systèmes mécaniques ne prospèrent pas dans cet environnement. Avec le calage variable des cames, cependant, vous pouvez chronométrer le chevauchement des soupapes afin que l'onde de pression négative arrive à la soupape d'admission juste au moment où vous en avez besoin.

Dinan note que dans les moteurs à aspiration naturelle, cet effet de vague est utile, mais à l'ère des turbocompresseurs, lorsque l'augmentation de la pression de suralimentation produit d'énormes gains d'efficacité volumétrique, c'est généralement inutile. Pourtant, il existe quelques exemples de constructeurs automobiles qui ajustent leurs apports. La nouvelle Corvette Z06, par exemple, dispose d'un plénum pour chaque banc de cylindres reliés par trois tuyaux, chacun avec sa propre vanne papillon. Ces soupapes s'ouvrent et se ferment dans diverses combinaisons en fonction du régime moteur, du mode de conduite et de la position de l'accélérateur pour donner au LT6 un couple puissant à bas et moyen régimes et une charge dure à sa ligne rouge à 8600 tr/min.

Comme la Mercedes Gullwing avant elle, le système est spectaculaire à regarder et incroyable en action.

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