• SURALIMENTATION ACOUSTIQUE

     

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    Quelle puissance développent les moteurs de Formule 1 ?

    F1 Moteur et 飨appements d'une Formule 1

    Bien que les constructeurs ne divulguent jamais la puissance ou le régime de leurs moteurs, il semble que la puissance maximale approche dans certains cas les 900 chevaux et leur fréquence de rotation peut atteindre les 20 000 tours par minute. Les constructeurs des moteurs assurent que la puissance maximale n’est pas systématiquement le facteur le plus important. Développer de la puissance à bas régime peut en effet s’avérer tout aussi important, notamment dans les virages lents. Avoir un moteur souple, qui ne soit pas brutal avec les roues motrices (et donc qui limite leur usure), est également un avantage sur la durée d’une course.

    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) :

    P: la puissance
    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.

    On voit donc que dans l’idéal il faudrait avoir un taux de remplissage le plus grand possible voir même supérieur à 1.

    Si on reprend la loi des gaz parfaits:

    P: la pression
    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

    http://www.clickoblog.com/ab9fb46898907f6b8feca2a3a9479269a


  • Commentaires

    1
    gradus
    Samedi 25 Février 2017 à 18:41

    Mr. Marinho
    Les images ne sont plus disponibles dans l'article, pourrez vous les remettre ?

    Merci

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