Amélioration aspiration d'air

J'ouvre un sujet "calculatoire".

Les performances d'un moteur sont liées (entre autres) à sa capacité à aspirer facilement de l'air frais. Cette aspiration n'est pas générée par un ventilateur mais par les cylindres qui en tournant, créent cette demande d'air. Ce qui empêche cette aspiration est l'ensemble des frottements du circuit d'air, en amont comme en aval du moteur, donc à l'aspiration comme à l'échappement. Ce qui est défavorable à ce phénomène, ce sont les "pertes de charge" aérauliques. On en trouve de 2 natures, les perte de charge régulières ou singulières.

Régulières : le cheminement dans un conduit droit crée de la perte de charge d'autant plus que le conduit est long ou de petit diamètre

Singulières : toutes les autres causes, les changements de section, les coudes, les "accidents" dans le trajet. Comme pour un gymkhana, si le trajet est droit, l'air fait peu d'efforts, s'il y a plein de virages, d'étranglements, de changements de sections (grand vers petit, petit vers grands), cela contraint l'écoulement et l'air peine à venir dans les cylindres.

On doit également considérer le volet "dynamique" du sujet qui dit que, pour une forme donnée de chemin de l'air (même optimisée), si la vitesse d'air est deux fois plus grande, la perte de charge sera 4 fois plus grande (liée à la vitesse au carré).

Fort de ce long préambule, de nombreuses améliorations sont naturellement apportées par les optimiseurs de moteurs, pro ou amateurs : des plus grosses soupapes pour augmenter le passage de l'air, un collecteur d'échappement avec moins d'angles, un plus gros échappement (voire plus court). A l'aspiration, on peut installer des filtres à air genre "cornet" directement posés sur le carburateur …mais on déplore alors que l'air est aspiré directement au-dessus du bloc moteur, donc un air a priori plus chaud, donc moins favorable à la performance : lorsque la température diminue, la densité de l’air diminue, donc dans un même volume on trouve plus de molécule d’air … et donc d'oxygène. On regrette alors que la meilleure aspiration est un peu limitée par cette augmentation de température.



Dans le cas présent, je vais vous parler de la buse d'aspiration de la boite à air, cette trompe qui va justement pomper l'air dans une partie moins chaude du compartiment moteur. Or cette buse, est de toutes petite section. J'ai mesuré une ellipse à l'aspiration d'environ 5 x 3,2 cm. Ca fait pas une grosse section (environ 12,5 cm²), même si la section de la trompe augmente ensuite progressivement avant d'arriver radialement dans la boite à air.



Faisons un petit calcul de la vitesse de l'air qui circule dans cette buse.
Un moteur de 4 temps, de 1,5 litre de cylindrée (au hasard), qui tourne à 3000 tr/min aspirerait un débit d'air d'environ :
1,5 /2 * 3000 / 60 = 37,5 litres par secondes
On divise la cylindrée par 2 car pour chaque tour, il n'y a que 2 cylindres qui aspirent, et on divise le régime moteur par 60 pour revenir en secondes.
Pour 6000 tr/min, on est à 75 litres par secondes. C'est pas rien !!

Calculons maintenant la vitesse de l'air au début de cette trompe.
On divise le débit d'air par la section et on arrive à environ 30 m/s à 3000 tr/min et donc 60 m/s à 6000 tr/min (respectivement 95 et 190 km/h).
Ce sont de très grandes vitesses d'air !! (en vrai, la section est probablement un peu plus grande, mais les ordres de grandeur sont là).

Il se trouve qu'en dynamique des fluides, cette petite buse d'aspiration est l'une des pires configurations pour ce qui concerne les pertes de charges. Disons que cette configuration conduit à un coefficient de 1 (le pire). On voit sur le schéma que les lignes de courant qui font un virage à 180° contribuent à ce piètre résultat (des décollements de couche limite à l'entrée du conduit sont aussi responsables de ça).



Ce coefficient s'appelle "le coefficient de perte de charge", c'est une valeur sans unité.
Pour diminuer ces pertes de charge à l'entrée, il est recommandé d'y ajouter un petit pavillon d'aspiration. Si vous regardez bien, c'est ce que FIAT a prévu, avec un petit débord de 3 ou 4 mm. C'est peu, mais ça va vraiment dans le bon sens. Disons que l'on serait alors à un coefficient de 0.7 au lieu de 1.



Si l'on rajoute une collerette (ou un baffle) perpendiculaire (on oublie le petit pavillon), l'air n'a plus qu'à faire un virage à 90° pour rentrer dans le conduit, c'est beaucoup plus facile, alors le coefficient descend à 0.5. Avec le petit pavillon, on serait à 0.35
Si enfin on installe une grande collerette qui se raccorde avec un grand pavillon bien arrondi à l'entrée de la buse alors ce coefficient pourrait descendre à des valeurs très faibles, par exemple 0.03.



La perte de charge singulière (en Pa) de cette entrée se calcule ensuite avec 0.5 * densité de l'air (1.2 kg/m³) * coefficient de perte de charge * vitesse d'air (m/s)^2.
On obtient les valeurs du tableau suivant selon les différentes configurations à 3000 et 6000 tr/min.



Je peux vous dire qu'une perte de charge de 1512 Pa, c'est très grand, et passer à 65 Pa est une diminution spectaculaire !
A ces valeurs, pour l'ensemble de la trompe (buse + conduit), il faut rajouter respectivement 70 (pour 3000 rpm) et 230 Pa (pour 6000 rpm) pour prendre en compte la perte dans la partie longue de la trompe. Donc il ne servirait à rien de mettre un pavillon extrêmement grand puisque la trompe elle-même apporte cette perte de charge additionnelle.
Néanmoins, on se rend compte qu'une diminution importante est facilement atteignable en améliorant la forme de la buse d'aspiration de la trompe.

C'est ce que j'ai fait en bricolant (plus ou moins temporairement) un pavillon maladroitement sculpté avec du scotch aluminium (diamètre total ~11 cm)
(ne riez pas )


Est-ce que j'ai senti une amélioration sur les performances : difficile à dire, je n'ai pas de banc de puissance. Je trouve que ça respire un peu mieux, et ce d'autant plus que je monte dans les tours, mais bon, il faudrait faire le test en aveugle. En tout cas, intellectuellement, je trouve que ça se tient !
Évidemment, dans l'ensemble du circuit d'admission et d'échappement, il y a beaucoup d'autres sources de pertes de charge qui sont tellement importantes que cette diminution de quelques dizaines de pascals pourrait être totalement imperceptible.

Mais bon, je me dis que ça vaut largement des ponçages et rabotage des conduits d'admission et autres choses tellement plus complexes à mettre en oeuvre.



Je ne doute pas que des esprits curieux vont se pencher sur ces calculs et ces ordres de grandeurs.
J'espère une discussion ouverte et argumentée !!
(et je peux m'être totalement gouré).


Edit : ou d'autres forumeurs qui mettraient en place cette petite amélioration et donneraient leur feedback !



Sources : Memento des pertes de charges de I.E. Idel'cik (Eyrolles)

Bon, ben pas de réaction ?

Personne n'a de connaissances sur des améliorations sur la partie "air" des moteurs (et de notre X chérie) ? j'en doute !

Ne soyez pas timides !

on est trop timide

(pour ma part juste en terme de ressenti, avec une boite K&N sur 1300 : seul le bruit change

sur 1500 , filtre K&N dans la boite à air d'origine: aucun véritable changement )

david14 a écrit:

(pour ma part juste en terme de ressenti, avec une boite K&N sur 1300 : seul le bruit change

Ah oui, pas même le frémissement d'un début d'amélioration ? Parce que là, ce sont des centaines de pascals qui ont disparu !

Bon, ce que j'ignore, c'est la perte totale du circuit. Si on a 10 000 Pa au total, c'est sûr que les 500 pa gagnés sont invisibles ou presque.

david14 a écrit:

sur 1500 , filtre K&N dans la boite à air d'origine: aucun véritable changement

Je pense que le seul changement de filtre ne joue que sur quelques pascals, selon comment il est huilé, encrassé ou pas. Dans mon boulot, on teste des filtres pour le bâtiment, et la perte de charge d'un filtre peut varier assez fortement (mais c'est rarement lié à l'aspect visuel) : sale ne signifie pas forcément encrassé, ça dépend beaucoup du type de poussière.



Par contre, je me fais la remarque que le flux d'air qui sort de la trompe, probablement entre 15 et 30 m/s (le conduit du côté de la boite est de section supérieure), vient "taper" le filtre radialement. C'est à la fois pas très bon encore une fois pour les pertes de charges, mais surtout pour le filtre qui en prend "plein la gueule" sur quelques plis, alors qu'une entrée plus latérale (circonférentielle) semblerait plus optimisée pour le flux d'air et la filtration.

peut-être 76 ch au lieu de 75 en tout cas pas assez de différence pour en faire un avion de chasse  

Je crois (sans être à même de le démontrer scientifiquement) qu'il y a plus à gagner en étudiant comment on ouvre et ferme les portes au courant d'air à l'entrée du filtre.
Le diagramme de distribution commandé par l'AAC me semble être plus à même d'apporter des améliorations.
Pour moi c'est d'ordre 1.
D'ordre 2 je dirai la contre-pression à l'échappement
et d'ordre 3 la tubulure d'admission entre le filtre et les soupapes.
Si on veut jouer sur l'ordre 4 on fait une admission directe et dynamique directement dans l'ouïe latérale gauche que l'on transforme en "écope".
Bien sûr tout celà ne se fait pas tout seul et nécessite ensuite des aménagements sur les réglages du carbu et la courbe d'allumage... ce qui nécessite des outils de mesure pour ne pas faire n'importe quoi :seuls certains "sorciers" étaient capables de faire de l'empirique.

Intuitivement d'accord avec toi.

Mais dans tout ça, la seule modif qu'on peut faire sans gros investissement, sans modification moteur etc... c'est de sculpter un pavillon avec 30 cm de scotch alu

Je continue ce sujet...
En cherchant à diminuer les pertes de charge à l'entrée de la "trompe", je cherche évidemment à améliorer l'aéraulique du moteur pour augmenter (un peu) la puissance. Est-ce que c'est sensible, efficace, ressenti, difficile à dire sans mesures, mais on est sûr que ça va dans le bon sens, donc c'est satisfaisant intellectuellement, et surtout, c'est pratiquement gratuit.

Sur mon message d'introduction, j'avais mis la photo d'un double carbu en aspiration libre (sans boite à air), et certains d'entre vous avaient indiqué que la position juste au dessus-du bloc moteur induisait l'aspiration d'un air beaucoup plus chaud, donc une efficacité limitée. Tout-à-fait vrai, mais si c'est un montage double carbu, le gain est présent, même si l'efficacité aurait pu être encore meilleure avec un air frais (d'où l'existence de cette "trompe" sur la boite à air qui déporte l'aspiration dans une zone moins certainement chaude).

C'est là qu'il faut revenir à la physique.
Pour une situation donnée de pression atmosphérique et de température, si l'on modifie l'un ou l'autre de ces paramètres (ou les deux), cela a une influence sur la puissance du moteur. En effet, la puissance est plus grande quand il y a + d'oxygène dans un volume d'air. Or, une température plus haute ou une pression atmosphérique plus faible conduit à diminuer le nombre de molécules d'oxygène dans ce volume d'air.

Si l'on part d'un état initial, P0 et T0, et que l'on considère la pression P actuelle et la température T actuelle, on modifierait la puissance du moteur d'un facteur :

k = [P/P0]  x racine_carrée[(273+T0) / (273 + T)]

La valeur de 273 que l'on rajoute à la température en degrés Celsius est pour la transformer en degrés Kelvin, donc la température absolue au-dessus du zéro absolu.
(en vrai, c'est 273.15 mais on n'va pas chipoter).

Source : https://autopassion.net/forums/422804-la-puissance-d-un-moteur-en-fonction-de-la-temperature/ mais j'ai inversé numérateur et dénominateur. On fait donc Puissance_actuelle * K =Puissance _résultante

Pour une température donnée fixe (ex. T = T0), si la pression atmosphérique augmente, la puissance augmente... Sur ce paramètre, on n'a pas d'influence, on subit la météo et ce sera pour tout le monde pareil ... (sauf ceux qui ont des moteurs turbo... rappelons nous des Grand Prix de F1 à Mexico à l'époque où le plateau se partageait entre moteurs Cosworth atmo et les moteurs Renault turbo).
Par contre, pour une pression donnée (ex. P = P0), plus il fait frais, plus la puissance augmente.

Admettons que la puissance de nos vaillants moteurs (85 ch pour le 1500) soit donnée pour des conditions de référence, P0 = 1013 hPa et T0 = 23°C, alors s'il fait 3°C, que devient cette puissance avec ce petit air frais ? Le calcul dirait qu'on a gagné 3 ch (85 x 1,036).
En fait, pas pas tout-à-fait vrai puisqu'il faudrait connaître la température de l'air effectivement aspirée par le carbu et les cylindres. Pour l'instant, on va juste considérer la température à l'aspiration de la trompe.

Donc s'il fait une température ambiante de 23°C, quelle est la température d'aspiration d'air au bout de la trompe, vu que cette trompe est dans la baie moteur, et qu'il y fait généralement chaud puisqu'il nous arrive de soulever la capot moteur et de se prendre une bonne bouffée d'air chaud !
Cette température d'aspiration à la trompe deviendrait la température à prendre en référence, le T0.

Et la question est : pourrait-on baisser cette température en allant chercher de l'air vraiment frais, comme par exemple celui qui arrive par les prises d'air latérales ? (Alain a fait cette adaptation et a rallongé le conduit d'aspiration qui va à la boite à air, en le faisant déboucher à la sortie de l'écope ... Alain, une photo ?)

Expérimentateur dans l'âme (et de métier), j'ai donc voulu répondre un peu à cette question.... avec les moyens du bord.
J'ai donc pris ma petite station météo, qui comporte une base et 2 satellites, et qui communiquent à distance.



Hop, un satellite accroché à proximité de l'aspiration d'air (au moyen de bandes Velcro, au passage, je kiffe le velcro, c'est hyper solide) et un autre satellite positionné à l'extrémité de la prise d'air (écope), tjs dans la baie moteur. Quand on observe bien, il n'y a d'ailleurs pas une si grande distance entre ces deux points (20/25 cm ?).

Capteur à l'entrée de la trompe ↓


Capteur à la sortie de l'écope ↓


Évidemment, la taille des capteurs est trop grande, ça devient une mesure intrusive (le capteur modifie la valeur qui serait exactement mesurée). Donc ce n'est pas parfait, loin s'en faut.


Et c'est parti pour une grande balade qui m'emmène en Chartreuse, donc 130 km avec 45 km d'autoroute et le reste en routes sinueuses (merci Calimoto.com !!).
Les capteurs ne sont pas spécialement réactifs, mais je peux lire les valeurs sur la station météo dans l'habitacle, c'est la grande classe

Alors, alors ?????
Quels résultats ?

Hier, il faisait une température de l'ordre de 18 à 23°C sur la parcours, parfois frais dans les gorges du Guiers, bcp plus chaud sur les plaines dauphinoises.

Globalement, ce que j'ai pu constater, c'est une différence de l'ordre de 10 à 15°C entre les deux capteurs.
- Celui en entrée de trompe varie entre 35 et 40 °C. Sur autoroute à 110 km/h, il se stabilise vers 37/38 °C malgré les 4000 rpm. j'ai été surpris de ces valeurs, je m'attendais à bcp plus. Donc le déport de la trompe fonctionne pas mal. A noter que ça monte à 41°C quand on s'arrête qq minutes (bouchon).

- La température de l'air en sortie d'écope a varié entre 19 et 25°C, un peu plus élevée que la température extérieure d'environ 2 ou 3 °C. Comme il faisait assez doux hier, les valeurs sont restées tempérées. Faudrait retenter en plein hiver.

Revenons à notre calcul :
Si la température de référence est 38 °C, entrée de trompe, et qu'on arrive à la faire descendre à 24°C en aspirant de l'air frais en sortie d'écope, alors le gain serait de 2,3%, soit 87 ch au lieu de 85 ch.

La question subsidiaire est : à quel point la température en entrée de trompe est impactée par la température extérieure ? Ou plus exactement, comment varie cette différence de 12 à 15°C en fonction de la température extérieure ? Est-ce qu'au plus fort de l'hiver, j'aurai une plus grande différence de puissance en allant prendre l'air frais en sortie d'écope...

Bien sûr, ces calculs font l'hypothèse que cette température d'air reste ± constante jusqu'à la combustion, ou au moins relativement constante. Probablement que cet air s'échauffe, dans la boite à air, et en s'accélérant dans les venturi du carbu ... mais bon, s'il arrive plus frais au départ, il devrait le rester).

Voilà, merci d'avoir lu tout ça.
Malgré le faible gain, je pense quand même installer un conduit qui ira choper l'air frais en sortie d'écope.

voila les photos de mon premier montage
il est actuellement sur l'auto d'un copain

 

et le montage actuel

t'as tout bon ; tu prends plein d'air frais

Et voilà ....
Pour 13 €, un bout de conduit alu plissé en diam 50 mm, un collier et un bout de scotch alu pour supprimer les fuites (conduit oblong...), j'ai réalisé mon admission d'air frais.
On ne va pas dire "dynamique" parce que il n'y a pas d'augmentation de pression par la vitesse (la prise d'air est juste positionnée dans le flux d'air frais en sortie d'écope).



Les sensations ? Incroyables !! J'ai clairement 15 chevaux en plus, au minimum.

Bon, en vrai, les sensations ne sont pas un indicateur suffisant pour conclure sur une amélioration sensible, car 2 ou 3 ch en plus, c'est pas le Pérou (il faisait environ 12/13°C hier). Mais bon, je sais que c'est positif pour l'admission et donc la puissance du moteur.
Le côté négatif éventuel, c'est l'obstruction partielle de l'écope. Est-ce que ça peut nuire au refroidissement de la baie moteur ? Ou est-ce que cette diminution d'air frais est négligeable puisque le moteur continue d'être largement refroidi par l'air arrivant par dessous ?


Vous essayez ?

... à suivre...

Pour tester la perf, il te suffit de faire part exemple une reprise en 3 ou 4, de 80 à 120 avec de quoi filmer le compteur.
Sur la même portion de route, à tel panneau tu mets les gaz et voilà
Je faisais comme ça quand je modifiais ma Cinqué turbo

Oui Jéjé, c'est une possibilité.

Mais l'incertitude est grande !
Sur une accélération de 30 secondes (donc environ 1000 m), une amélioration de 3% conduit à un gain de moins d'1 seconde.
Mon protocole a intérêt à être aux petits oignons pour être valide (plusieurs tentatives dans chaque configuration).

Petite mise à jour sur le sujet des températures d'air.

Samedi, il faisait frisquet, entre 0 et -2°C.
Cela faisait longtemps que la princesse n'était pas sortie, alors hop, direction St Romain en Gal et son très beau musée sur tout l'histoire gallo-romaine de Vienne (38).
J'instrumente l'intérieur de la baie moteur avec mon thermomètre, en le situant à proximité de l'ouverture de la trompe de la boite à air (en d'autres termes, pour savoir à quelle température l'air serait aspiré si je n'avais pas mis ma déviation en place).

J'ai noté des températures dans la baie moteur de l'ordre de 16 - 20 °C (selon les vitesses) alors que dehors, l'air est autour de 0°C.
Donc, c'est l'écart entre l'extérieur et l'intérieur qui semble être constant (environ 15 - 20 °C), comme constaté en octobre, alors qu'il faisait plus chaud.

Le gain de puissance reste donc à peu près constant.

À refaire l'été prochain en période chaude !