Le turbo

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Le turbo

Message par Modena49 le Mar 18 Mar - 1:13:55

Utilisée depuis longtemps mais parfois mal-aimée pour son côté artificiel, la suralimentation possède pourtant de sérieux atouts qui lui assurent un bel avenir. C'est du moins ce que laisse à penser l'intérêt soudain des constructeurs pour le downsizing. Apparue très tôt, la suralimentation n'a cessée de se développer au fil du 20ème siècle, s'illustrant à de maintes reprises en compétition comme sur la route. Cela méritait bien que l'on s'attarde un peu dessus.

Un peu de technique

La suralimentation permet d'optimiser le remplissage des chambres en comprimant l'air avant son arrivée dans les chambres de combustion. De ce fait, le mélange obtenu est plus énergétique que celui d'un moteur atmosphérique. Il en résulte une augmentation de puissance.


Il faut par ailleurs distinguer le turbocompresseur et le compresseur. Le premier tire l'énergie nécessaire à son fonctionnement grâce à une turbine d'échappement, le second s'en remet directement au vilebrequin. D'un côté on utilise un compresseur centrifuge, de l'autre, un compresseur volumétrique.

Origine de la suralimentation : le compresseur

C'est donc en 1907 que le compresseur fît son apparition. Renault, l'inventeur du système, développa dès l'année suivante deux V8 destinés à l'aviation. Très vite, d'autres constructeurs suivent la voie : d'abord Chadwick (1908) puis Hispano-Suiza (1912). Mais ce n'est qu'en 1921 que les premières voitures de série à compresseur firent leur apparition, grâce à Daimler.

Évidemment, les voitures de course sont les premières concernées. En 1924 Alfa sort sa P2, équipée d'un V8 compressé (Roots) à double carburateur qui écrasera la concurrence. Dans les années qui vont suivre, les moteurs compressés vont se multiplier : Mercedes, Maserati, Bentley... Les plus grands constructeurs de l'époque se convertissent. Car la suralimentation permet d'atteindre des niveaux de puissance jusque-là inconnus !

L'Alfa Roméo P2 : un moteur, un palmarès, une légende...

Les années 30 seront marquées par l'arrivée de l'Alfa-Roméo 8C ainsi que de la Mercedes SSK (Super Sport Kurz), deux modèles parmi les plus légendaires pour deux marques en pleine apogée. Dans les années qui vont suivre, le constructeur étoilé va développer plusieurs modèles à compresseur. Leur gros V8 de 5401 cm3 développait la puissance remarquable de 170 ch et surtout un couple de 431 Nm !

L'arrivée du turbo

Inventé en 1909 par Alfred Büchi, le turbocompresseur est d'abord utilisé dans l'aéronautique. En utilisant les gaz d'échappement comme source de fonctionnement, il a l'avantage de ne pas absorber une partie de la puissance développée par le moteur. En revanche, il pâti d'un temps de réponse important, ce qui n'est pas le cas du compresseur traditionnel.

En 1962 Chevrolet crée la surprise avec la Corvair Monza Spyder. Première voiture de série à disposer d'un turbo, ce cabriolet aux dimensions modestes compte tenu de ses origines anglo-saxonnes était destinée à contrer l'offensive de certains constructeurs étrangers (notamment Volkswagen). Le flat-6 2.3L une fois suralimenté développait la coquette puissance de 150ch, offrant à la Corvair des performances déjà élevées.

A cette même époque, les Formule 1 se convertissent au turbo. Avec une cylindrée maximum de 1500cm3, les constructeurs vont rapidement passer la barre des 400ch pour atteindre plus de 1000ch dans les années 80 soit une puissance spécifique de 650 ch/L ! On connaît la suite...

En 1973, BMW présente sa 2002 Turbo, première voiture européenne de série à bénéficier d'un turbocompresseur. Une sportive pure et dure, pour les aficionados du pilotage et des sensations fortes. Grâce à son turbo, le 4 cylindres de 1991 cm3 dérivé de la 2002Ti passait de 130 ch encore gentillets à 170 ch pour le moins virulents ! Cette automobile aujourd'hui mythique n'aura été produite qu'à 1672 exemplaires. Notons au passage que BMW abandonnera la suralimentation des moteurs essence jusqu'en 2006 !

Au cours des années 70, Porsche va s'intéresser de près à la suralimentation et apportera des solutions techniques devenues aujourd'hui incontournables. Ainsi, on retrouvera sur la première 911 Turbo de 1975 une soupape de décharge qui régule la pression du turbo (wastegate). Deux ans plus tard, la 911 Turbo étrenne un intercooler. Il s'agit d'un radiateur destiné à refroidir l'air à l'admission, évitant ainsi les pertes de puissances qui pourraient êtres engendrées sinon. C'est le début d'une longue tradition pour le constructeur de Stuttgart !

Nous sommes alors à l'aube d'une nouvelle ère où la suralimentation va devenir courante - voir indispensable - aussi bien en course que sur route.

Développement et améliorations de la suralimentation

C'est au cours des années 80 que l'on retrouve les réalisations les plus spectaculaires. F1 mises à part, on pense bien sûr à un nouveau genre d'automobile : les célèbres Groupe B ! Initiée par Audi en 1980, la transmission intégrale va permettre de développer des moteurs beaucoup plus puissants que d'habitude, dépassant régulièrement la barre des 500ch (Pikes Speak notamment). C'est à Lancia que l'on doit une innovation intéressante que l'on retrouve sur la S4 et qui consiste à combiner compresseur et turbo. une technique qui permet au petit 4 cylindres de 1759 cm3 d'être à la fois vigoureux à bas régimes (grâce au compresseur volumétrique) et carrément explosif au-delà (grâce au turbo). Avec 450ch et 490 Nm, les chiffres sont alors dans la norme, mais la disponibilité et la plage de régimes exploitable forcent l'admiration (300 Nm de 1200 à 8400 tr/min). Une solution qui disparaîtra en même temps que le Groupe B et reprise depuis par Volkswagen sur son 1.4L TSI.



La fameuse Lancia Delta S4, première automobile à combiner turbo et compresseur volumétrique.

C'est à cette même époque, en 1984 précisément, qu'est née la première supercar : la Ferrari 288 GTO. Équipée d'un petit V8 de 2855 cm3, cette sublime sportive utilisait deux turbocompresseurs pour passer la barre des 400ch. Une très belle performance compte-tenu de la cylindrée. Ce bloc, que l'on retrouvera trois ans plus tard dans la mythique F40, se caractérise par un tempérament de feu et une puissance phénoménale difficile à dompter.

Un an plus tard, Porsche remet une couche avec la sortie de la 959. Développée pour le Groupe B et donc déclinée en version route ce véritable laboratoire roulant dispose des solutions techniques de demain. installé en porte-à-faux arrière, le flat 6 doublement suralimenté mérite qu'on s'y attarde un peu. Issu des 956 et 962 de course, ce bloc cube 2849 cm3 et est doté d'un refroidissement mixte air/eau qui permettra aux ingénieurs de développer des culasses à 4 soupapes par cylindres. Avec des valeurs spécifique de 158 ch/L et de 175 Nm/L, ce moteur explose tous les records établis. Plus intéressant, nous avons ici affaire à la première suralimentation à double étage. A bas régime une seul des deux turbos entre en action et n'est épaulé du second qu'à partir de 4300 tr/min. Une technique qui permet d'obtenir une montée en pression plus rapide et donc, de réduire le temps de réponse de la suralimentation. Et ça marche ! Tellement d'ailleurs, que les plus exigeants reprocheront à la 959 un manque de caractère.



Le flat 6 de la Porsche 959 est le premier moteur à disposer d'une suralimentation à double étage réduisant ainsi le turbo-lag.

Mais les années 80 verront aussi naître des moteurs suralimentés plus abordables. On pense évidemment à la Renault 5 turbo et à sa copie corrigée, la Turbo II :1397 cm3 pour 160ch, avec un temps de réponse long comme nuit d'hiver suivit d'une ruade dans le dos qui donnera le sourire aux plus blasés. Plus raisonnablement encore on retrouvera des mécaniques suralimentées pleines de saveur sous les capots des Fiat Uno Turbo i.e et Renault Super 5 GTT. On verra aussi naître un nouveau type de compresseur dit "à spirales", le fameux compresseur en G de Volkswagen que l'on retrouvera d'abord dans la Polo G40 (1272 cm3 pour 112ch) puis dans les Corrado et Golf G60.

Progressivement, en raison de l'amélioration constante des techniques de suralimentation, on verra apparaître un nouveau genre de moteurs suralimentés, plus dociles et qui privilégient l'agrément et le couple au détriment du tempérament et de la puissance brute. C'est le cas de certaines mécaniques Opel, Volkswagen, Renault et bien entendu Saab. Ce fervent défenseur de la suralimentation aura d'ailleurs développé un V6 turbo intéressant pour sa 9-5 puisque un seul banc de cylindres est suralimenté, afin d'accroître la douceur de fonctionnement aux allures paisibles sans rechercher à établir aucun record. Pour le piment et les sensations, les fameuses versions Aero sont là !



Difficile de ne pas penser à Saab quand on parle turbo !

Tout récemment, Porsche a mis au point une nouvelle technologie. Nouvelle, pas tant que ça en fait, puisque le turbo à géométrie variable (TGV) existe déjà depuis quelques années sur les moteurs diesel. Mais son application sur un moteur essence constitue une première. Le principal écueil concerne les températures des gaz d'échappement très élevées (plus de 1000°). Une difficulté qu'a su surmonter le prestigieux constructeur pour sa 997 (Bi) Turbo. Le TGV a la particularité d'être doté d'ailettes réglables qui dirigent les gaz de façon optimale. Il en résulte une plus grande souplesse à bas régimes sans sacrifier la puissance à hauts régimes.

Conclusion

La suralimentation a investi tous les segments automobile. De la plus petite citadine (Smart ForTwo) à la plus puissante GT (Bugatti Veyron) en passant par les prestigieuses (Bentley Arnage) et les radicales (Lotus Exige R) ou encore par les grandes routières (Saab 9-5). Et la grande majorité des constructeurs s'y est intéressée de près ou continue aujourd'hui encore de l'utiliser. Cette diversité est sans doute la plus belle preuve que la suralimentation a plus d'un argument à faire valoir, même si, ces derniers temps, le turbo a quelque peu délaissé le sport au profit du grand tourisme. Franchement, c'est là un moindre mal !


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En augmentant la quantité d'air admise dans les cylindres. Pour cela, plusieurs solutions s'offrent aux motoristes :

Augmenter le régime de rotation du moteur. C'est la solution utilisée en compétition mais cette technique augmente sa consommation et sa pollution et diminue sa fiabilité.
Augmenter la cylindrée. C'est une solution facile mais le poids et les frottements supplémentaires d'un moteur plus gros pénalisent la performance et la consommation.
" Forcer " l'admission de l'air. C'est ce que font les admissions variables en douceur ou le turbocompresseur… en force.

Son fonctionnement

Le rôle du turbocompresseur est donc de mettre l'air d'admission en pression pour qu'un moteur plus petit aspire autant d'air qu'un plus gros moteur " atmosphérique " (non turbocompressé).
Le turbocompresseur est composé de trois parties : la turbine entraîne le compresseur et est pilotée par une soupape de régulation.
La turbine est traversée par les gaz d'échappement et se met en rotation. Elle récupère 3 à 4% de l'énergie perdue par le moteur dans l'échappement.


La turbine entraîne le compresseur par l'intermédiaire d'un axe porté par des bagues à bain d'huile.
Le compresseur a le même fonctionnement qu'un aspirateur. Plus il tournera vite, plus l'air d'admission pourra monter en débit et en pression.
La soupape de régulation limite la pression à l'admission en diminuant la quantité de gaz d'échappement qui traverse la turbine. Elle est pilotée par un boîtier électronique.
Le moteur recevra plus d'air, brûlera plus d'essence ou de gas-oil et délivrera plus de puissance.

Remarques:

La vitesse de la turbine peut atteindre 150 000 tr/mn.
En cas de forte charge, il arrive que le turbocompresseur soit porté au rouge sous l'effet de la grande quantité de gaz d'échappement traversant la turbine.

Il est refroidi par le circuit de refroidissement du moteur et par le circuit d'huile.

Du fait des deux contraintes mentionnées ci-dessus, la turbine est minutieusement équilibrée et fabriquée dans des matériaux spéciaux capables de résister aux très fortes températures.

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Re: Le turbo

Message par Invité le Mar 13 Déc - 13:41:44

Avec la nouvelle règle 2014 et le retour des moteurs Turbo, cette technologie va vite devenir une course au développements. De nouvelles technologie vont êtres trouvés c'est sûr, ainsi que de nouvelles polémiques comme toutes bonnes trouvailles.

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Re: Le turbo

Message par Guylaine le Mar 13 Déc - 14:34:59

Et finalement cela aura servi à quoi de diminuer les chevaux à 6 ???



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Re: Le turbo

Message par Invité le Jeu 15 Déc - 13:55:30

Un nouveaux jeu auquel la FIA en attribue les règles.
L’introduction du moteur V6 1600cm3 turbo et un régime de rotation de 15.000tr/min maxi ne fait pas l'unanimité parmi les fans.
Faut voir.
Il est dit également qu'un nouveau KERS va permettre au monoplace 2014 de fonctionner à l’électricité, sans brûler du carburant lors des arrêts aux stands.
La puissance de ce KERS dernière génération passerait de 80 à 160ch.






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Re: Le turbo

Message par Guylaine le Jeu 15 Déc - 14:34:17

Alors je répète ma question pourquoi le retour au V6?



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Re: Le turbo

Message par Modena49 le Sam 12 Jan - 0:54:28

1. Le fonctionnement d’un turbo, l’optimisation de ses performances, de sa fiabilité
2. Les nouveautés dans le turbo depuis une vingtaine d’années

Bon, déjà, je connais un peu le turbo pour la bonne raison que je travaille actuellement chez le leader mondial de la question, que je ne citerai pas, mais dont vous avez tous entendu parler. J’occupe un poste dans la recherche / développement (simulation mécanique) où je touche un peu à tous les types de turbo, à tous les domaines du turbo, à toutes les pièces.

J’en ai donc une vision assez intéressante, bien que relativement détachée de la conception elle-même : je serais tout à fait incapable de dessiner un turbo moi-même, je sais simplement quoi faire pour essayer de le fiabiliser et de l’améliorer.

PARTIE 1 : principe et conditions de fonctionnement du turbo

*** Principe :

Le but du turbo est d’augmenter la pression des gaz à l’admission du moteur, et le remplissage des cylindres, sans consommer de couple sur le vilebrequin, contrairement au « compresseur » qu’on trouve par exemple sur certaines Mercedes.

Un turbo est fait des pièces suivantes :

- Un arbre (un axe, si vous préférez), avec de chaque côté une roue : roue turbine et roue compresseur. Cet ensemble constitue le groupe tournant.
- Trois carters : le carter central, avec ses paliers, qui supportent l’arbre ; un carter autour de la roue turbine, très justement appelé « carter turbine » (« turbine housing »), où le passage des gaz forme une « volute » en forme d’escargot, et un carter autour de la roue compresseur, appelé… « carter compresseur » (« compressor housing »), avec également une volute.
- Un système de régulation permettant de contrôler le « boost » : dans les turbos « basiques », une soupape de décharge (« wastegate ») contrôlé par un actuateur pneumatique.

*** Fonctionnement :

Les gaz d’échappement du moteur entrent par l’entrée du carter turbine et arrivent sur la roue turbine. Ils l’entraînent, et elle tourne. Comme elle fait partie du groupe tournant, c’est tout ce groupe tournant qui se met à entrer en rotation. De fait, la roue compresseur, en tournant, aspire l’air venant de l’entrée compresseur et la recrache à une pression élevée en sortie compresseur. Cette surpression est appelée « boost ».

Le boost doit être optimisé pour convenir au moteur, et arriver au bon moment. Le retard de boost est appelé le « lag ». Si vous conduisez une voiture à moteur turbocompressé, c’est à cause de ce lag qu’il y a un temps mort entre le moment où vous appuyez sur la pédale et le moment où la puissance arrive. Pour réduire ce lag, il y a diverses solutions : choix d’une taille de turbo (de plus petites roues ont moins d’inertie), concept des roues, choix du système de régulation (j’en parlerai dans la 2e partie), ou même nombre de turbos. Il existe en effet des moteurs « bi turbo », généralement des moteurs en V, ayant un turbo par rangée de cylindres ; mais également des moteurs à turbo « double étage », avec un petit turbo et un gros turbo, régulés par un système de vannes, qui permet d’avoir du boost sur une plage plus élevée, à bas régime et à haut régime.

*** Conditions de fonctionnement :

Les conditions de fonctionnement d’un turbo sont parmi les plus sévères que l’on puisse trouver dans toute l’industrie mécanique. Jugez plutôt :

1. Température : les gaz d’échappement d’un moteur diesel peuvent atteidre 830°C (et même 860°C sur les futurs moteurs en développement). Pour l’essence, c’est pire : 1000 voire 1050°C.

- La roue turbine et son carter doivent donc supporter non seulement une telle température, mais surtout les montées/descentes de température. Il y a donc des phénomènes de fatigue thermomécanique sur la roue et le carter turbine. On est, dans la majorité des cas, capable de les expliquer et de les résoudre par la simulation et par la conception.
- La dilatation de l’ensemble ne doit pas créer d’efforts énormes sur les pièces, sous peine de les casser.
- Egalement, il peut se produire un phénomène de retour de chaleur quand on coupe le moteur après avoir utilisé le turbo : le côté turbine est chaud, le moteur s’arrête ; les gaz d’échappement stagnent dans le carter, et la température, plutôt que d’être évacuée, est transmise par conduction jusqu’au carter central, pouvant brûler l’huile située sur les paliers, ce qui peut être catastrophique au niveau de leur usure. Ceci est également en passe d’être modélisable.

2. Vitesse et vibrations : le groupe tournant atteint généralement des vitesses de l’ordre de 150 000 à 200 000 tours/min. Sur les petits turbos, parfois 250 000 tours/min.

- Ce groupe tournant doit donc être parfaitement équilibré. S’il y a un balourd (une masse résiduelle située à une certaine distance de l’axe), la force centrifuge peut induire des problèmes de bruit (pas très gênant pour la compétition) ou de casse. C’est un problème majeur. Il existe plusieurs solutions pour l’équilibrage, qui chacune ont leurs propres avantages, problèmes et inconvénients.
- L’assemblage du turbo, du collecteur d’échappement (parfois intégré en une seule pièce au carter de turbine, par exemple sur les moteurs Volkswagen) et du système d’échappement (catalyseur, etc.) doivent être montés suffisamment rigidement pour supporter les vibrations du moteur, et de manière suffisamment souple pour ne pas créer d’efforts lorsque le turbo est chaud.
- Il existe également des problèmes vibratoires sur l’actuateur et son support, qui, lui aussi, à son échelle, doit être suffisamment rigide.
- Les ailettes peuvent également avoir de graves problèmes de résonance. Il faut les dimensionner ad hoc.

3. Huile

- L’huile provient du même système de lubrification que celui du moteur. Parfois, l’huile est donc loin d’être saine et le turbo doit supporter cela.

*** Concevoir et fabriquer des turbos

Comment concevoir un turbo ? Je ne rentrerai pas dans le détail, évidemment. Concevoir un turbo, c’est très difficile et très long car comme je l’ai dit, le turbo concerne un peu tous les domaines de la science et de l’industrie :

- Il y a dans le turbo, tout un travail scientifique :

==> Mécanique, thermique, vibrations : cela fait appel à de la simulation numérique pour représenter ces phénomènes physiques. Mon boulot !
==> Aérodynamique, pour les roues mais aussi pour les conduits de gaz : dans le turbo, il y a un gros travail de CFD, comme en F1.
==> Acoustique
==> Fiabilité

- Il faut trouver « le bon concept » de base.
- Il faut adapter le turbo au client, selon des contraintes de coût, performances, taille, poids, …
- Il faut le fabriquer correctement, c’est un travail de précision. Et l’équilibrer. Un procédé qui lui aussi présente ses propres problèmes, que l’on tente de résoudre par simulation.
- Il faut réussir à le vendre !

*** Conclusion

Le turbo est un assemblage complexe, difficile à concevoir, avec une multitude de solutions potentielles pour l’optimiser, et des conditions de fonctionnement terribles. Les constructeurs automobiles sont de plus en plus exigeants quant à ses performances : elles sont très critiques pour réduire la consommation du moteur et obtenir un agrément correct. Il y a donc du travail !!!

PARTIE 2 : Nouveautés dans le turbo

Le gros du travail consiste surtout à optimiser le poids, le coût, la taille, la fiabilité du turbo. C’est un travail de longue haleine ! Mais il existe également de nouveaux concepts permettant un gain immédiat dans divers domaines :

1. Turbo double étage : j’en ai déjà parlé plus haut, un petit turbo et un gros turbo, pour obtenir du boost sur une large plage de régime moteur.

2. Nouveaux systèmes de régulation :

- Le turbo à géométrie variable (TGV)

J’ai parlé de la wastegate, qui est un système assez simple, formé d’un simple clapet qui s’ouvre et se ferme pour relâcher la pression. L’inconvénient est le suivant : sa géométrie étant fixe, elle correspond à un système de « tout ou rien », même si l’angle d’ouverture permet de réguler plus ou moins la pression comme on le désire. Mais ce n’est pas optimal pour le boost et le temps de réponse.

Pour optimiser le boost, et obtenir un temps de réponse plus faible, il existe un nouveau concept, inventé dans les années 90 et qui a été une révolution : le turbo à géométrie variable.

Le principe est le suivant : on régule la circulation des gaz d’échappement à l’entrée de la turbine, avant que les gaz n’atteignent la roue, au moyen d’un

système de vannes (qui tournent ou se translatent, selon le concept). Le débit de gaz entraînant la roue turbine est donc maîtrisé et peut être régulé précisément selon la charge demandée, un peu comme si la taille de la roue changeait à tout moment. Ceci permet d’élargir la plage d’utilisation du turbo pour recouvrir le plus large régime moteur possible.

Il existe de multiples concepts de turbo à géométrie variable, et beaucoup sont encore en développement… Top secret !

- L’actuation électronique

L’actuateur est le système qui permet de réguler l’ouverture de la wastegate, ou le mouvement des vannes sur un TGV (pour ceux du fond qui n’ont pas suivi, je parle du turbo à géométrie variable, pas du train). Sur les turbos « classiques » c’est un actuateur pneumatique. Mais il existe des actuateurs électroniques, gérés par l’ECU, qui permettent de gagner encore un peu de temps de réponse et de contrôlabilité.

3. Turbo à refroidissement liquide

Pour pallier le problème de retour de chaleur, il existe aujourd’hui des turbos à carter central refroidi par eau, cette eau provenant du système de refroidissement de la voiture. La régulation évite les problèmes de retour de chaleur, mais à l’inverse, le turbo qui est à 1000°C côté turbine ne doit pas faire bouillir l’eau dans le carter central !

4. Single Sequential Turbocharger (SST)

Le principe de ce turbo est le même qu’un double étage, à ceci près qu’il n’y a qu’un turbo. En effet, dans le SST, il y a deux roues compresseur, dos-à-dos, et le carter compresseur a deux conduits séparés. Un moyen « économique » pour essayer d’atteindre l’efficacité d’un double étage ; des avantages évidents de packaging et de coût.

5. Nouveaux concepts de paliers

Les paliers supportant le groupe tournant sont un élément des plus critiques. De nouveaux concepts de paliers ont été développés ou sont en développement. Des roulements à billes peuvent également remplacer ces paliers. Ils étaient principalement utilisés en compétition, mais commencent à apparaître sur les voitures de série.

6. Turbo « twin scroll »

Le principe du twin scroll consiste en la présence d’une double volute dans le carter turbine. Cette double volute permet une distribution optimale des pulsation de gaz d’échappement sur la roue turbine.

7. Nouveaux matériaux

De nouveaux matériaux sont en développement, pour supporter des températures toujours plus élevées, et des coûts toujours à la baisse. Alliages de titane, de nickel pour les roues turbine ; aciers inoxydables et nouvelles fontes pour le carter de turbine ; alliages d’aluminium ou de titane pour les roues compresseur. Il y a même des recherches pour l’utilisation potentielle des matières plastiques côté compresseur.
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