Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Turbocompresseur

Un turbocompresseur dit turbo est d'un élement d'un moteur à explosion (essence ou diesel), destiné à augmenter la pression des gaz admis, permettant un meilleur remplissage des cylindres en air et en carburant pour augmenter la puissance du moteur. Ce type de compresseur est entraîné par une turbine (d'où son nom) animée par la vitesse des gaz d'échappement, qui cèdent une partie de leur énergie cinétique pour faire tourner la turbine, sans consommer de puissance sur l'arbre moteur.

Turbocompresseur sur un moteur de poids lourd (Renault Magnum)

Histoire

Le principe de la suralimentation des moteurs à explosion a été proposé dès les premiers développements de ces moteurs. Louis Renault dépose en 1902 un brevet sur le principe de suralimentation par ventilateur ou compresseur, qu'il utilise en compétition, mais qui n'est pas encore défini comme un turbocompresseur. Au XXI^e siècle, ce principe est largement répandu sur les moteurs Diesel modernes et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence du fait des risque d’auto-allumage lorsque la pression du mélange air-essence augmente. Ce type de compresseur récupère une partie de l’énergie cinétique et de l'énergie thermique contenues dans les gaz d'échappement, donc de l'enthalpie de ces gaz.

Fonctionnement

Turbocompresseur en coupe, avec illustration des différentes parties et températures par couleurs

Le rendement d'un moteur thermique est en fonction de son rapport volumétrique ; le taux de compression à l'intérieur du cylindre. Plus le rapport volumétrique est élevé, meilleur est le rendement. Et ce avec pour limite le phénomène d'auto-allumage (ou de cliquetis), qui, au-delà d'une certaine pression, entraîne une chute des rendements.

Une turbine placée dans le flux des gaz d’échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse (partie rouge sur la photo), elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur (partie bleue). Ce compresseur de type centrifuge aspire et comprime l’air ambiant, l’envoie dans les cylindres, en passant éventuellement par un échangeur air/air (intercooler) ou plus rarement air/eau pour le refroidir, pour les trois raisons suivantes :

1. la compression échauffe les gaz, et la température de ces gaz est aussi l'un des principaux facteurs entraînant l'auto-allumage.
2. un gaz chaud étant moins dense qu'un gaz froid, il contient moins de molécules d'oxygène à un volume identique. On pourra donc brûler moins de carburant et les gains liés au turbo seront moindres.
3. le rendement d'un moteur dépend en partie de la température de l'air entrant et celle des gaz d'échappement. Plus la différence entre ces températures sera élevée, meilleures seront les performances du moteur. Une augmentation de la température d'admission dégrade donc le rendement moteur.

Le fait d’envoyer l’air comprimé dans les cylindres permet d’améliorer le remplissage de ces derniers, qui sinon se remplissent par dépression, et permet donc d’augmenter sensiblement la quantité du mélange air/carburant. La puissance du moteur s'accroît tout en diminuant sa consommation. On obtient ainsi la même puissance qu'un moteur de cylindrée supérieure, tout en réduisant les pertes mécaniques liées aux grandes cylindrées.

Les considérations écologiques actuelles grandissantes font qu'on assiste actuellement de plus en plus à un phénomène de "down-sizing" au niveau de la conception des moteurs de nos automobiles par les grands constructeurs. Cette idée consiste à réduire les émissions polluantes en diminuant la taille et la cylindrée des moteurs fabriqués (d'où le terme "down-sizing"). Un moteur de faible cylindrée étant forcément moins puissant, on voit apparaître un intérêt grandissant à inclure de plus en plus de turbocompresseurs dans les moteurs des autos récentes, afin de pallier ce manque de puissance initialement causé.

Avantages/Inconvénients

Avantages :

• Un turbocompresseur est plus compact, plus léger, et plus facile à installer qu’un compresseur classique entraîné par l'arbre de sortie moteur.
• Un turbocompresseur se montre très à l'aise dans les hauts régimes du moteur, là où l'efficacité d'un compresseur mécanique se dégrade sensiblement.
• De plus, il exploite l'énergie cinétique des gaz d'échappements (vouée à être dissipée) pour comprimer les gaz d’admission, au lieu de prélever une part de l'énergie du moteur comme le fait un compresseur mécanique.

Inconvénients :

• L'énergie utilisée par le turbocompresseur n'est pas totalement gratuite, car il gêne le passage des gaz d'échappement.
• Un turbocompresseur classique n'est efficace qu'au-delà d'un certain régime moteur, contrairement au compresseur mécanique dont l'efficacité commence dès les plus bas régimes.
• Lors d'un coup d'accélérateur, le turbocompresseur peut manifester un certain « temps de réponse », laps de temps où la quantité de gaz d'échappement ne suffit pas encore à faire tourner la turbine du turbocompresseur au régime idéal. En jargon automobile, on parle fréquemment de "lag". Cet inconvénient est absent des compresseurs mécaniques.

(Ces deux derniers inconvénients sont quasi-résolus avec les turbocompresseurs modernes, dit à géométrie variable, qui soufflent dès les plus bas régimes.)

Applications particulières

Le principal problème d'un turbocompresseur étant son -relativement- long temps de mise en action, dû à l'inertie de sa roue de turbine, il existe beaucoup de voitures sportives dotées de moteurs "bi-turbo", équipées d'un turbocompresseur plus petit pour charger l'admission dans les bas régimes, ensuite relayé par le plus gros pour remplir les cylindres, une fois le moteur dans les tours. L'avantage de ce type de montage est la quasi absence de temps de réponse, et l'absence d'à-coups sur la transmission causés par la mise en pression d'un seul gros turbocompresseur, étant assez long à se lancer du fait de son inertie importante.

Au rayon des inconvénients, on peut préciser que ce système prend pas mal de place dans un capot moteur, et qu'il nécessite un entretien poussé pour rester fiable dans le temps. Depuis de nombreuses années, les turbocompresseurs sont dits "à géométrie variable". Cette solution permet un comportement beaucoup plus linéaire du moteur et une réponse du turbocompresseur dès 1500 tr/min au lieu d'une réponse souvent entre 3000 et 4000 tr/min sur les turbocompresseurs classiques. La tenue dans le temps du mécanisme qui oriente le flux des gaz d’échappement est très délicat.

Précautions d'emploi

Un turbocompresseur est soumis principalement à deux contraintes : la friction de l'axe de turbine, et la température des gaz d'échappement. Afin de préserver cet élément de l'usure et le refroidir, le turbocompresseur partage avec le moteur le même système de lubrification par huile. Cette caractéristique a pour inconvénient de stopper la lubrification du turbocompresseur lors de l'arrêt du moteur, car la pompe à huile n'est plus entraînée, ce qui à la longue va endommager le dispositif. En effet, l'huile alors présente entre l'axe et le palier de turbine se met à chauffer de manière excessive, car la température dans la turbine peut s'élever à 1000 °C, voire plus surtout en essence car les températures des gaz y sont plus élevées. Il se crée alors un résidu néfaste, composé de corps solides très abrasifs qui vont produire un jeu excessif à la longue. De plus la turbine, encore entraînée par son inertie, n'est plus ni lubrifiée ni refroidie, et peut alors casser du fait de contraintes thermiques et mécaniques trop importantes. Cela concerne n'importe quel turbocompresseur, car ils fonctionnent tous selon ces mêmes principes de base.

Par conséquent, il est conseillé de laisser le moteur tourner au ralenti pendant environ une à trois minutes avant de couper le contact, afin que la turbine interne voie sa vitesse de rotation chuter. La lubrification du moteur, donc du turbocompresseur, continue de s'effectuer et de dissiper la chaleur du système. Un autre moyen de faire refroidir le mécanisme est, si le trajet le permet, de rouler doucement à régime modéré durant quelques kilomètres. Cette préconisation est aussi conseillée plus généralement pour les moteurs, même atmosphériques, ou pour les freins s'ils viennent d'être fortement sollicités. Si cette procédure, si souvent oubliée par le néophyte, ne peut parfois pas être réalisée, ne serait-ce qu'à cause du temps requis pour sa mise en œuvre, un équipement de seconde monte peut être installé par un spécialiste en accessoires automobiles : un turbo timer, qui aura pour charge de stopper le moteur une fois le turbo convenablement refroidi seulement, même si le contact est coupé à la clef.

Autre signification

Un turbocompresseur est un compresseur, centrifuge ou axial, entraîné par une turbine alimentée soit par de la vapeur (turbine vapeur), soit par un autre gaz (turbine à gaz), ou soit par la détente d'un gaz (turbine de détente).

Vitesse du turbocompresseur

Un turbocompresseur peut atteindre une vitesse rotative d'environ 250 000 tr/min. Mais son régime moyen se situe entre 100 000 tr/min et 200 000 tr/min. À l'heure actuelle la plus grande vitesse atteinte est de 287 000 tr/min dans une Smart diesel (Informations Garrett).

L'accélération centrifuge encaissée par les pales des deux roues à ailettes du turbo frôle les 100.000 G (!). On comprend aisément pourquoi l'usinage de cette petite merveille de précision doit être exemplaire, de même que son utilisation se doit d'être soignée...

Théorie de la suralimentation

En génie mécanique, la suralimentation est un procédé qui vise à augmenter le rendement d'un moteur à combustion interne, sans augmenter sa vitesse de rotation. Pour augmenter la puissance d'un moteur, on peut agir sur sa vitesse de rotation ou sur son couple. Toutefois, l'accroissement de la vitesse de rotation d'un moteur est vite limité par l'inertie des pièces en mouvement et les limites de la résistance au frottement des métaux qui le composent, dans la mesure où cela implique de plus fortes contraintes. L'effort appliqué sur les éléments mobiles est directement lié aux formules d'inertie dans lesquelles la vitesse est au carré, cela se fait généralement au détriment de la fiabilité.

On peut donc augmenter le couple moteur par l'adjonction d'un dispositif de suralimentation. Celui-ci peut-être un turbocompresseur, pompe entraînée par les gaz d'échappement et insufflant de l'air sous pression dans les cylindres. Ou un compresseur qui est lui entraîné directement par le moteur. C'est ce que l'on nomme la suralimentation.

Le couple moteur dépend de l'angle formé entre la bielle et le vilebrequin, la pression des gaz à l'intérieur du cylindre, nommée Pression moyenne effective et celle de la quantité de carburant introduite. Pour augmenter la quantité de carburant introduite dans le cylindre, il faut aussi augmenter proportionnellement la masse d'air, (comburant) pour assurer une combustion complète de ce carburant. C'est donc le rôle de la suralimentation, qui permet ainsi d'augmenter la PME et donc le couple du moteur.

Contrainte

La masse d'air contenue dans un cylindre donné doit être proportionnelle à la pression et inversement proportionnelle à sa température absolue. Lorsque l'air est mis sous pression, sa température augmente et sa densité est modifiée, il est donc conseillé d'installer un échangeur air-air de manière à refroidir l'air et ainsi récupérer une densité optimale pour pouvoir obtenir le meilleur rendement possible de celui-ci.

C'est ce que l'on nomme en anglais le dispositif intercooler ou charge air cooler échangeur air/air ou échangeur air/eau (refroidissement ou réchauffement de l'air admis dans les cylindres d'un moteur suralimenté).