Comment fonctionnent les systèmes anti-lag ?

Vous avez sans doute déjà entendu parler du phénomène de lag sur un moteur turbocompressé : il s’agit du décalage entre le moment où vous appuyez sur l’accélérateur et l’instant où la voiture accélère dignement.

C’est l’un des inconvénients d’un moteur turbocompressé par rapport à un moteur atmosphérique. En effet, si vous appuyez à fond sur l’accélérateur de ce dernier, le couple est disponible quasiment instantanément et la voiture accélère directement. La raison est simple : lorsque vous appuyez sur l’accélérateur, le papillon s’ouvre. La pression augmente donc directement dans le répartiteur d’admission. Plus d’air, plus de carburant injecté, plus de couple, etc.

Pour un moteur essence turbocompressé, c’est légèrement différent : lorsque vous appuyez sur l’accélérateur, le papillon s’ouvre. La pression augmente dans le répartiteur, jusqu’à atteindre une pression proche de la pression atmosphérique (ce n’est pas une vérité générale, mais c’est un ordre de grandeur). Le résultat est le même que dans cas d’un moteur atmosphérique : plus d’air, plus de couple, température en hausse à l’échappement. En même temps, la waste-gate s’est fermée pour être sûr que la totalité des gaz d’échappement passe par la turbine. La pression et la température augmentent en amont de la turbine. Le travail récupéré par la turbine augmente donc et le régime de rotation augmente par la même occasion. Plus le turbocompresseur tourne vite, plus la pression de suralimentation augmente. C’est donc un cercle vertueux : plus d’air, …, plus de couple, plus de régime turbo, … Le turbocompresseur possède une certaine inertie : il n’accélère pas instantanément et il lui faut un certain temps à atteindre son régime de croisière. C’est cet ensemble de phénomène qu’on appelle le lag. Bien évidemment, ce lag est directement lié au turbocompresseur utilisé : plus il est gros, plus le lag est important.

Il existe plusieurs solutions pour réduire ce phénomène. Je ne vais pas toutes vous les décrire d’une façon exhaustive d’une part car je ne les connais pas toutes mais aussi car le plus intéressant est de comprendre le principe.

Comme vous l’avez sans doute compris, l’objectif est de maintenir le turbo en rotation lors des levers de pied. Il faut pour cela maintenir une température et une pression élevée en amont du turbo. Une fois qu’on a compris ce point, il est plus facile de comprendre les différentes solutions mises en oeuvre.

Les premiers systèmes anti-lag ont été utilisés en F1 ou en rallye dans les années 80. Vous avez sans doute déjà vu des images ou vidéos où les voitures pétaradent fortement lors des changements de rapport ou avant des virages lors des levers de pied.

La première solution, et la plus simple, consiste à maintenir le papillon légèrement ouvert lors des levers de pied. On a donc de l’air qui rentre dans le moteur. Du carburant est également injecté. L’astuce consiste à retarder l’allumage par rapport à un fonctionnement normal. En effet, dans un fonctionnement normal, l’allumage est phasé de façon à ce que le pic de pression arrive lorsque le piston est au point mort haut. Ce phasage permet d’exploiter au maximum la combustion, de récupérer un maximum de travail et donc de maximiser le rendement. Lorsqu’on retarde l’allumage, on décale la combustion. Plus on allume tard, plus le pic de pression lié à la combustion arrivera pendant la descente du piston. Comme on peut s’en douter, ce réglage n’est pas idéal car il ne permet pas de récupérer de façon optimale l’énergie de la combustion sur le vilebrequin. C’est exactement ce qui est recherché lors du fonctionnement du système anti-lag : on admet de l’air, on injecte du carburant et on allume très tard, de façon à récupérer le moins possible de travail sur le vilebrequin (si le conducteur lève le pied, c’est bien parce qu’il veut décélérer). De cette façon, la combustion se déroule très tardivement et se termine pendant la phase d’échappement. Il en résulte une température et une pression qui restent élevées lors de l’ouverture des soupapes d’échappement et cette technique permet d’obtenir de bonnes conditions thermodynamiques en amont de la turbine.

Le papillon est légèrement ouvert. Le carburant est injecté ou a déjà été injecté. Les soupapes d’admission sont ouvertes. Le piston descend. C’est la phase d’admission.

Toutes les soupapes sont fermées. Le piston remonte. C’est la phase de compression.

Contrairement à un fonctionnement normal, l’allumage n’a pas eu lieu à proximité du PMH (Point Mort Haut). Le piston est en train de descendre. C’est la phase de détente.

Une fois que le piston est bien descendu, l’allumage a lieu et la combustion commence.

La phase d’échappement arrive rapidement après : la combustion est encore en cours, les soupapes s’ouvrent. La température et la pression dans la ligne d’échappement en amont de la turbine deviennent très élevées.

Les conséquences d’un tel système sont assez radicales :

• la température dans le collecteur d’admission et dans le turbocompresseur augmente très fortement
• le turbo tourne à une vitesse élevée
• les contraintes mécaniques augmentent elles aussi très fortement dans cette zone. L’utilisation d’un système anti-lag sur un moteur qui n’a pas été conçu pour ça le détruirait très rapidement. Encore pire, tous les systèmes de post-traitement des gaz d’échappement (catalyseur) ne sont pas du tout prévus pour atteindre de telles températures et seraient endommagés instantanément
• la combustion dans la ligne d’échappement provoque des explosions très violentes qu’on peut entendre et éventuellement voir en fonction de l’architecture de la ligne d’échappement
• la consommation de carburant augmente sensiblement car on utilise une quantité de carburant non négligeable uniquement pour faire tourner le turbo et non pour faire avancer la voiture
• le frein moteur est également sensiblement réduit. En effet, le frein moteur est directement lié à la pression qu’on a dans le répartiteur d’admission. Le fait d’ouvrir un peu le papillon ou de le court-circuiter va donc dans le sens de réduire cet effet.

Vous retrouverez page suivante une solution un peu plus difficile à mettre en oeuvre, mais qui permet une efficacité et une maîtrise de l’anti-lag encore meilleure.

La seconde solution est basée sur exactement le même principe mais est un peu plus complexe à mettre en oeuvre : elle consiste à « injecter » de l’air directement à l’échappement.

Un circuit permet de court-circuiter directement l’air de l’admission vers l’échappement

L’air est dérivé de l’admission par une ou plusieurs vannes puis introduit à l’échappement. Dans un même temps, du carburant est injecté à l’admission. Le carburant est donc admis dans la chambre de combustion, comprimé, détendu puis expulsé vers l’échappement. C’est à ce moment qu’il se mélange avec l’air qui a été emmené directement à l’échappement. L’allumage se fait à priori par auto-inflammation : au contact du collecteur d’échappement extrêmement chaud, le mélange air-carburant s’enflamme, dégageant une forte température et entraînant une augmentation de la pression. L’initiation de la combustion peut également se faire par la bougie d’allumage, si l’allumage est fait très tardivement, c’est-à-dire pendant l’ouverture des soupapes d’échappement.

Ce système est plus « efficace » que la solution avec uniquement la modification de l’avance à l’allumage. En effet, dans ce cas précis, la combustion du mélange a lieu uniquement dans le collecteur d’échappement. L’intégralité de l’énergie dégagée est donc récupérable par la turbine, là où cette dernière n’en récupérait qu’une partie.

On retrouve ce type de montage sur le moteur 5 cylindres de l’Audi Sport Quattro de 1984 :

On retrouve également un montage dans le même esprit sur la Toyota Celica GT4 ST205 dix ans plus tard (en 1994). Il est intéressant de noter que ce système était présent sur les versions de série (pour des histoires d’homologation) mais n’était pas activé :

C’est un système proche de celui-ci qui est utilisé sur les WRC de nos jours. Associé à différents capteurs, il permet d’affiner la quantité de mélange air/carburant qui est brûlé dans le collecteur d’échappement et donc de maîtriser la pression de suralimentation au niveau de l’admission. Il est utilisé pour réduire le lag du turbo mais est peut-être également utilisé pour disposer d’une pression de suralimentation rapidement et ainsi augmenter le couple à bas régimes.

En conclusion : il s’agit ici d’un système qui permet de réduire très efficacement le lag d’un moteur turbocompressé. Ce système permet de maintenir le turbo en rotation et permet de maintenir une pression de suralimentation élevée, pour disposer de couple dès que le conducteur (plutôt pilote en l’occurrence) en a besoin. Il est important de noter que ce système est réservé à une utilisation en compétition, puisqu’elle induit des contraintes extrêmement élevées sur le turbocompresseur et les tubulures d’échappement.

Comme indiqué dans l’introduction, cet article n’a pas la prétention de recenser tous les systèmes anti-lag. Il en existe un grand nombre et chacun a ses spécificités (modification de l’avance à l’allumage, différenciation entre les cylindres, …).

Cet article avait été initialement publié par mes soins sur le site theautomobilist.fr.

Les différentes photos et/ou informations proviennent des sites suivants :

http://www.rallycars.com/Cars/bangbang.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Antilag_system

http://www.audifans.net/ftopicp-119229.html

http://www.bufkinengineering.com/Umluft.htm

http://elsolitariomc.com/2013/06/audi-sport-quattro/

http://s245.photobucket.com/user/tvlstarlet/media/140320125811.jpg.html

http://brewedmotors.com/antilag-secondary-air-injection-kit-rally-als

http://passionford.com/forum/general-car-related-discussion/266786-antilag-throttle-kick.html