Réflexion sur les collecteurs

[1200RS]

Tout d’abord, quelques rappels :

Un moteur, essence ou diesel, fonctionne sur un cycle alternatif (l’admission et l’échappement ne sont pas continus)

Le turbo est une machine qui reçoit et qui débite selon un cycle continu.

On voit tout de suite le problème d’adaptation de l’un sur l’autre ... , problème accentué par le fait que les moteurs de véhicules automobiles ne fonctionnent pas en régime continu.

Le gros souci reste donc les régimes dits transitoires, surtout sur la partie basse de la plage d’utilisation. Pour bénéficier d’un couple conséquent, il faut que le turbo débite le plus rapidement possible, sans pour autant étrangler le moteur sur la partie haute de la plage.

 

Les principes de collecteurs(les 2 sont en concurrence pour la conception du dit collecteur, mais complémentaires dans les faits)

1) Le collecteur dit à accumulation, donc d’un volume important qui permet de stocker du gaz d’échappement en pression et en température, en fait à température convenable pour la turbine et son fonctionnement. C’est le type de collecteur présent sur les Patrol. Cette technique est avantageuse pour les régimes stationnaires, relativement économique, et d’une conception extrêmement simple. Elle compte sur les variations d’enthalpie au passage de la turbine pour lancer le turbo (en gros, la variation de l’énergie contenue dans le volume de gaz stocké).

Pour accentuer la variation d’énergie, ce qui est bénéfique au lancement et au rendement du turbo, on peut isoler le collecteur, ce qui augmente sa réserve en énergie, ce en général à l’aide de bandes spécialement conçues pour, mais compte tenu de l’utilisation de nos engins, je conseille de surveiller attentivement la corrosion, car cette bande agit comme une éponge.

2) Le collecteur à effet de bouffée, qui compte sur la régularité des phases d’échappement pour accélérer dès que nécessaire la turbine (on compte sur la variation de pression et de vitesse pour donner la vitesse de rotation nécessaire à la turbine). Il faut alors avoir une longueur égale sur tous les cylindres. Evidemment, ce type de collecteur coûte plus cher et est plus complexe à réaliser (ce qui explique sa rareté dans le monde automobile, ceci aggravé par l’apparition des turbos à géométrie variable qui compensent et permettent d’avoir le couple dès que possible, grâce au pilotage par l’électronique).

 

Si les soucis s’arrêtaient là, ce serait cool, mais se greffe le problème d’encombrement (gérable) et celui du volume du collecteur (très important vis-à-vis de la plage de couple et de l’arbre à cames utilisé)

Dans la suite, je m’en tiens à un arbre à cames d’origine.

Pour que la bouffée soit perceptible par la turbine, il faut que le volume du collecteur ne soit pas trop grand par rapport à la cylindrée du moteur concerné (c’est le même problème qu’un coup de pompe à vélo. Si vous mettez ce coup de pompe dans un pneu de vélo pour enfant, ça se voit et ça se sent tout de suite, dans un 33/12.5/15, on ne sent rien, pas plus qu’on ne voit !!). La tentation est grande alors de faire un collecteur le plus petit possible. En admettant que ça soit possible (ça ne l’est pas à mon avis sur notre 6 cylindres en ligne), le turbo débitera très très très tôt, mais il saturera très vite (bien avant le régime maxi). Enfin, la température serait trop élevée en entrée de turbine, amenant rapidement sa destruction (la température maxi en entrée sur un diesel est de l’ordre de 740°C, la fameuse T3). Rappelons que du débit du compresseur dépend directement la valeur du couple dispo.

Par contre, si le collecteur est trop grand, on tombe sur un collecteur à accumulation, mais celui-ci a le défaut de ne pas réagir instantanément. J’attire votre attention sur le fait que la matière du collecteur joue énormément. Lorsqu’on en re-fabrique, c’est presque toujours en acier ou en inox, matières qui réagissent beaucoup mieux en terme de thermodynamique que la fonte, matière utilisée dans la fabrication en série. La fonte par son inertie vis-à-vis de la température empêche un bon fonctionnement du point de vue du rendement en régime transitoire.

On est donc en plein dans le fameux turbo lag, ou temps de réponse.

De même, il convient de vérifier que la matière employée ne pèle pas sous l’effet de la chaleur et du vieillissement, car le détachement de particules de taille « importante » auraient tôt fait de détruire la roue de la turbine.

 

Il existe une solution intermédiaire qui consiste à coupler les cylindres qui n’échappent pas en même temps, ce qui reviendrait à faire trois 2 en 1 sur les Patrol ; c’est à mon sens une solution à écarter car quitte à refaire des collecteurs, autant mettre des longueurs égales à tout le monde.

 

Revenons à nos volumes, pour les collecteurs à impulsions.

Pour avoir le couple disponible assez tôt, il faut un volume total minimum par rapport à la cylindrée. Plus on va augmenter le volume, plus on va déplacer la courbe de puissance vers le haut, quoiqu’on puisse contrer ceci avec les diagrammes d’arbres à cames, j’en toucherai un mot à la fin.

Sur un RD28, les sorties font environs 960mm², ce qui est «équivalent à un tube de 35mm de diamètre, soit 38mm de diamètre extérieur (le fameux 1.5 pouces). Il suffit de l’emboutir pour qu’il épouse la forme de la sortie de la culasse.

Pour un volume de collecteur de 70%, les tubes sont de 34.5cm de longueur, et pour 100%, ils mesurent 51cm.

Ceci étudié, il faut soigner la fusion des tubes avant l’arrivée sur la bride du turbo, donc avoir une fusion en forme de long convergent.

Il existe peut être une solution moins contraignante, c’est faire deux 3 en 1, prenant les cylindres décalés de 240°, 3 en 1 qui se raccordent juste à la bride. Cette technique permet une montée en pression de la turbine plus rapide, mais le raccordement à la bride est à soigner tout particulièrement, et ce n’est pas évident sachant qu’il ne faut pas avoir d’étranglement.

Il est à noter que le volume du collecteur dépend aussi de la pression de suralimentation et de la présence ou non d'un intercooler.

Avec un intercooler, pression de suralimentaion d'origine, un collecteur à 100% fonctionnera parfaitement, alors qu'un moteur sans intercooler se satisferait plutôt d'un 70% en théorie.

Evidemment, tout est histoire de compromis.

De ce post, j'éloigne volontairement les changements de turbos et toute technique trop exotique. Je rappelle aussi que le but est la recherche de couple et non de puissance, ce à des régimes d'utilisation compatibles avec la philosophie des Patrol.

Enfin, je ne veux en aucun cas encourager la course à l'armement.

 

Pour ce qui est du rapport avec l’arbre à cames, plus l’ouverture des soupapes d’échappement est «violente», plus la bouffée est forte, augmentant ainsi son impact sur la turbine et son mouvement. Attention, nous sommes en diesel, donc le volume disponible pour faire ce genre de modification n’est pas illimité (compte tenu du rapport volumétrique).

 

Evidemment, je n'encourage personne à être illégal, et décline toute responsabilité dans le mauvais usage des informations, etc ...

[Pierre Grosjean]

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