Ligne d’air de suralimentation des moteurs à combustion interne - Entre performances et réduction de la pollution

Lors de l’introduction des refroidisseurs d’air de suralimentation dans les années 1990, l’échangeur était dimensionné comme un simple composant simplement défini par sa puissance thermique et sa perte de charge, fonction du débit d’air d’admission et de la vitesse de l’air en face avant du véhicule.

Les dernières améliorations des moteurs en matière de réduction de la consommation et de leur conformité aux normes antipollution de plus en plus exigeantes ont poussé à une augmentation du besoin de refroidissement des gaz de suralimentation. L'introduction du cycle harmonisé WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle), puis du cycle RDE (Real Driving Emissions), accentuera cette tendance par la nécessité d'une augmentation du taux d’utilisation de gaz recyclés (ou dilution externe plus communément désignée par le sigle EGR pour Exhaust Gas Recirculation) sur des points moteur plus chargés.

La mobilité neutre en CO₂ est la phrase clé de l'industrie automobile contemporaine. Passer d'une mobilité carbonée à une mobilité neutre ne peut se faire à très court terme ; c'est la raison pour laquelle les constructeurs et les équipementiers travaillent encore à l’amélioration des motorisations thermiques afin de réduire leur impact carbone. À l'avenir, le CO₂ et plus généralement les gaz à effet de serre devront être évalués en prenant en compte le cycle de vie global du berceau à la tombe. Mais pour le moment, seul le CO₂ provenant du tuyau d'échappement est pris en compte. C'est la raison pour laquelle le rendement énergétique du Moteur à Combustion Interne (MCI) doit être à nouveau amélioré lorsque celui-ci est encore nécessaire, ou simplement mis à l’arrêt lorsqu'un autre dispositif a la capacité d’assurer à lui seul la propulsion. Ceci constitue la règle d'or des futurs groupes motopropulseurs hybrides.

Les moteurs Diesel toujours très compétitifs sur ce sujet sont désormais techniquement prêts à se conformer aux futures réglementations sur les émissions ; les technologies SCR, le Water Charge Air cooling(WCAC) couplé à l'EGR basse et haute pression sont aujourd'hui largement répandus sur le marché et participent pleinement à la résolution des faiblesses du Diesel. Quoi qu'il en soit, le débat actuel autour des restrictions d’usage de ce type de motorisation a obligé les constructeurs et les équipementiers à travailler sur le moteur à essence, afin de renforcer le potentiel de la technologie des MCI à allumage commandé, mais également à documenter la possibilité d’utiliser des carburants alternatifs (éthanol, gaz, carburants synthétiques « e-fuel », hydrogène).

La tendance au Downsizing et au Downspeeding des moteurs contraint clairement les motoristes à une meilleure intégration de la fonction de refroidissement des gaz aval compresseur pour lequel de nouvelles exigences et fonctionnalités se font sentir, telles que :

• une importante diminution de la perte de charge afin d’augmenter la pression en amont des soupapes d’admission : ceci équivaut à une augmentation de la pression de suralimentation ;

• une réduction du volume d’air en aval compresseur afin de réduire les temps de réponse (time to torque) et diminuer le nombre de cycles moteur nécessaire à la vidange de la ligne d’air (meilleur contrôle du taux de dilution en transitoire) ;

• une stabilité de la température aval échangeur : elle doit être moins dépendante des conditions de roulage (vitesse véhicule) et de la stratégie de dépollution (taux EGR haute, basse pression ou combiné) ;

• la possibilité de contrôler la température aval échangeur en fonction des points de fonctionnement moteur, de la stratégie de dépollution (problématique de condensation en EGR basse pression, régénération du filtre à particule) ou de vie du moteur (amélioration des démarrages à froid, réduction du temps de light off catalyseur) ;

• une augmentation des performances thermiques et la limitation des échauffements parasites aval échangeur ;

• l’ajout de fonctionnalité active (boîtier papillon, doseur d’air, module EGR, volet de Swirl, désactivation de cylindre, etc…) ;

• une compatibilité avec l’ensemble des plateformes véhicule du ou des constructeurs.

Ce besoin d’intégration de la fonction refroidissement des gaz de suralimentation demande à étudier l’ensemble des composants, de la sortie compresseur aux soupapes d’admission, comme un système multi composants appelé « module d’admission » ou « ligne d’air de suralimentation ».

Le présent article traitera de la modélisation des composants de la ligne d’air d’admission, des différentes architectures connues et présentera les principales voies d’amélioration des architectures actuelles.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles, des notations et des symboles utilisés.