La première chose à comprendre est ce qu’est le « lag ». Dans les moteurs suralimentés, lorsque le conducteur appuie fortement sur l’accélérateur, le moteur ne répond pas de façon linéaire à sa demande de « plus de puissance ». Au lieu de cela, ce qu’il fait est de gagner un peu de couple lorsque les flux de gaz d’échappement s’accélèrent. Lorsque ceux-ci atteignent une vitesse critique pour pousser efficacement le turbocompresseur, le moteur délivre soudainement une dose de couple « supplémentaire ».

Le vrai problème des moteurs hautement turbocompressés réside dans les temps de réponse de l’accélérateur

Ce temps entre la demande de plus de puissance et l’obtention de ce « kick » est appelé « lag ».

Le lag provient des inerties du système de turbocompression. Comme vous le savez peut-être déjà, le turbocompresseur utilise l’énergie des gaz de combustion qui quittent le collecteur d’échappement pour faire tourner une turbine. Cette turbine est reliée à une autre turbine, qui comprime l’air entrant dans l’admission du moteur.

Comme ces deux turbines ont une masse non négligeable, les accélérer et les freiner n’est pas une question de millisecondes. En outre, ils ont une zone de fonctionnement optimale, en dessous de laquelle ils ne fournissent pas de « pression de suralimentation » efficace.

C’est-à-dire que lorsque la turbine du turbocompresseur tourne à bas régime, elle n’est pas capable de comprimer l’air dans le collecteur d’admission. Comme le moteur est conçu pour être turbocompressé, le taux de compression effectif dans la chambre de combustion lorsque le turbo ne souffle pas est trop faible, et il n’est donc pas possible d’injecter de l’essence à plein régime, ni d’obtenir de grandes doses de puissance.

Lorsque le conducteur appuie fortement sur l’accélérateur, un effet en chaîne se déclenche : le papillon des gaz s’ouvre et la quantité d’air et d’essence entrant dans le moteur augmente. Avec plus d’air et de carburant, les gaz d’échappement et leur énergie sont accrus, de sorte qu’ils entraînent la turbine du turbocompresseur un peu plus rapidement. Cela comprime un peu plus l’air d’admission, ce qui génère plus de flux d’air dans la chambre de combustion, plus de puissance, plus d’énergie dans les gaz d’échappement, ce qui entraîne encore plus la turbine du turbocompresseur… Et ainsi de suite jusqu’à atteindre la vitesse critique du turbo qui parvient à répondre à la demande du conducteur.

Pour un conducteur, être capable de gérer « au millimètre » avec le pied droit la réponse du moteur en termes de couple envoyé aux roues est vital pour pouvoir gérer le lacet de la voiture dans les virages, pour lâcher l’arrière à volonté, ou pour corriger les lignes.

Cet effet d’entraînement fait que le conducteur doit appuyer sur l’accélérateur jusqu’à deux secondes avant d’avoir besoin de couple aux roues, en anticipant ce qui l’attend, pour éliminer le temps perdu à cause du retard, tout en chargeant le turbocompresseur.

Cet inconvénient majeur des moteurs turbo était l’un des gros casse-tête des équipes de course, qui reconnaissaient la puissance spécifique supplémentaire du moteur avec la turbocompression, mais devaient atténuer ces effets négatifs sur le contrôle de la voiture.

La première étape pour améliorer la réponse du moteur était de réduire les dimensions des turbocompresseurs, afin de réduire l’inertie. On a aussi pu jouer avec des turbos à double entrée, ou même à géométrie variable, pour pouvoir mieux répondre sur toute la plage de régime.

Mais c’est en 1994 que, dans le rallye mondial, on a atteint « la grande solution parfaite », en introduisant le « bang-bang », le système anti-lag, pour éliminer le temps de réponse.

Comment ça marche ? Dans les moteurs normaux, pour éviter que l’air comprimé ne continue à pousser dans les cylindres, empêchant le moteur de se retenir, une soupape libère l’air comprimé.

Avec le système antilag, l’air comprimé de la turbine d’admission est dérivé directement vers le collecteur d’échappement. Dans le même temps, même si le conducteur a cessé d’accélérer, le papillon d’admission est toujours ouvert (de 15 à 20 %), comme si le conducteur tenait l’accélérateur.

Le système compliqué de tuyauterie de gaz du turbocompresseur d’un moteur Mitsubishi WRC

Mais l’unité de contrôle électronique du moteur modifie la gestion du moteur. Il s’agit de retarder autant que possible le point d’allumage de la bougie. Ainsi, lorsque le piston du moteur est déjà dans sa course d’expansion, le mélange est enflammé. Ainsi, la grande majorité de l’énergie de cette combustion est propulsée dans le cylindre lors de la course d’échappement, qui envoie le mélange brûlant et toute cette énergie vers la turbine à gaz. De plus, ces gaz sont mélangés à l’air à haute pression qui arrive dans le collecteur d’échappement depuis la turbine d’admission.

Ainsi, le turbocompresseur dispose encore d’énergie sous la forme de gaz d’échappement à haute vitesse et haute température, qui continuent à comprimer l’air à haute pression.

En 1994, le système anti-lag a commencé à être utilisé sur les étapes du WRC

Dans un sens, ce système anti-lag équivaut à utiliser le turbocompresseur comme une turbomachine thermique similaire à un moteur d’avion.

Comme la pression générée par le turbocompresseur pour l’air propre reste élevée, lorsque le conducteur appuie sur l’accélérateur, la soupape de dérivation coupe le flux d’air comprimé vers le collecteur d’échappement, et bascule pour l’offrir à nouveau au poumon d’admission, générant une pression de collecteur presque instantanément.

Cette solution réduit le décalage au point qu’il est imperceptible pour le conducteur. Ce n’est que par le perfectionnement de la gestion électronique du moteur et des soupapes qui gèrent les débits d’air du turbocompresseur que l’on est arrivé à cette situation, avec des moteurs très pauvres malgré l’utilisation de ce principe de fonctionnement.

Mais pourquoi n’est-il pas utilisé sur les voitures routières ?

Ce n’est pas un système à installer sur votre voiture routière

Il y a plusieurs bonnes raisons pour lesquelles ces systèmes anti-lag ne sont pas une bonne idée sur une voiture routière. La première raison est que le carburant est toujours brûlé lorsque le moteur est au ralenti, de sorte que la consommation de carburant d’un tel moteur est largement supérieure à celle d’un moteur conventionnel.

La deuxième raison est que la combustion des gaz dans le collecteur d’échappement plutôt que dans la chambre de combustion crée une énorme contrainte thermique sur la turbine à gaz du turbocompresseur, ce qui a un impact négatif sur sa fiabilité. Rendre un tel système fiable pour la rue serait très complexe.

La troisième raison est que les émissions polluantes sont augmentées, car la combustion du carburant en dehors du point optimal de la course de compression est inefficace.

Et la quatrième raison est que, pour les voitures de rue, qui utilisent des turbos de plus petit diamètre, avec des entrées doubles, et avec la possibilité (dans le cas des turbos et de certains moteurs à essence spécifiques) d’utiliser la géométrie variable, un tel système serait redondant.

Malheureusement, la FIA a interdit l’expérimentation de turbines à géométrie variable qui aurait probablement rendu ces systèmes anti-lagging superflus dans le moteur « mondial » de 1,6 litre utilisé en WRC, en WTCC, et l’a également interdit pour les futurs moteurs de F1. Ainsi, les avantages pour les voitures routières qui pourraient être obtenus par le développement de turbines à géométrie variable pour les moteurs à essence ne seront pas consolidés en compétition. Des trucs de la FIA.

La bonne nouvelle, c’est que les turbocompresseurs couplés à des moteurs électriques de la F1 pourront travailler à éliminer le décalage sans avoir recours à des systèmes anti-décalage de type bang-bang, et cette solution pourrait être appliquée aux voitures routières. Mais nous en parlerons un autre jour.

Rapport initialement publié en décembre 2013, sauvé pour Pistonudos
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