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Lorsque l’on parle de voitures de course ou de voitures de sport de haute performance, le sujet des turbocompresseurs est généralement abordé. Les turbocompresseurs apparaissent également sur les gros moteurs diesel. Un turbo peut augmenter considérablement la puissance d’un moteur sans en augmenter le poids de manière significative, ce qui est l’énorme avantage qui rend les turbos si populaires !
Dans cet article, nous apprendrons comment un turbocompresseur augmente la puissance d’un moteur tout en survivant à des conditions de fonctionnement extrêmes. Nous apprendrons également comment les soupapes de décharge, les aubes de turbine en céramique et les roulements à billes aident les turbocompresseurs à faire leur travail encore mieux.
Les turbocompresseurs sont une sorte de système à induction forcée. Ils compriment l’air qui circule dans le moteur. L’avantage de la compression de l’air est qu’elle permet au moteur de comprimer plus d’air dans un cylindre, et plus d’air signifie que plus de carburant peut être ajouté.
Par conséquent, vous obtenez plus de puissance à chaque explosion dans chaque cylindre. Un moteur turbocompressé produit globalement plus de puissance que le même moteur sans la charge. Cela peut améliorer considérablement le rapport puissance/poids du moteur
Pour obtenir cette poussée, le turbocompresseur utilise le flux d’échappement du moteur pour faire tourner une turbine, qui à son tour fait tourner une pompe à air. La turbine du turbocompresseur tourne à une vitesse pouvant atteindre 150 000 tours par minute (tr/min), soit environ 30 fois plus vite que la plupart des moteurs de voiture. Et comme elle est reliée à l’échappement, les températures dans la turbine sont également très élevées.
Turbocompresseurs et moteurs
L’un des moyens les plus sûrs d’obtenir plus de puissance d’un moteur est d’augmenter la quantité d’air et de carburant qu’il peut brûler. Une façon d’y parvenir est d’ajouter des cylindres ou d’agrandir les cylindres actuels. Parfois, ces changements ne sont pas réalisables : un turbo peut être un moyen plus simple et plus compact d’augmenter la puissance, en particulier pour un accessoire de rechange.
Les turbocompresseurs permettent à un moteur de brûler plus de carburant et d’air en en mettant plus dans les cylindres existants. La poussée typique fournie par un turbocompresseur est de 6 à 8 livres par pouce carré (psi). Comme la pression atmosphérique normale est de 14,7 psi au niveau de la mer, vous pouvez constater que vous faites entrer environ 50 % d’air en plus dans le moteur. On peut donc s’attendre à obtenir 50 % de puissance en plus. Il n’est pas parfaitement efficace, donc vous pourriez obtenir une amélioration de 30 à 40 % à la place.
L’une des causes de l’inefficacité vient du fait que la puissance nécessaire pour faire tourner la turbine n’est pas gratuite. Le fait d’avoir une turbine dans le flux d’échappement augmente la restriction dans l’échappement. Cela signifie que sur la course d’échappement, le moteur doit pousser contre une contre-pression plus élevée. Cela soustrait un peu de puissance aux cylindres qui tournent en même temps.
Conception du turbocompresseur
Le turbocompresseur est boulonné au collecteur d’échappement du moteur. Les gaz d’échappement des cylindres font tourner la turbine, qui fonctionne comme un moteur à turbine à gaz. La turbine est reliée par un arbre au compresseur, qui est situé entre le filtre à air et le collecteur d’admission. Le compresseur pressurise l’air qui entre dans les pistons.
Les gaz d’échappement des cylindres passent à travers les aubes de la turbine, ce qui fait tourner la turbine. Plus l’échappement passe par les aubes, plus elles tournent vite.
À l’autre extrémité de l’arbre sur lequel la turbine est fixée, le compresseur pompe l’air dans les cylindres. Le compresseur est une sorte de pompe centrifuge : il aspire l’air au centre de ses aubes et le projette vers l’extérieur lorsqu’il tourne.
Afin de pouvoir atteindre des vitesses de rotation de 150 000 tr/min, l’arbre de la turbine doit être soutenu avec beaucoup de soin. La plupart des roulements exploseraient à de telles vitesses, c’est pourquoi la plupart des turbocompresseurs utilisent un roulement à fluide. Ce type de roulement soutient l’arbre sur une fine couche d’huile qui est constamment pompée autour de l’arbre. Cela sert deux objectifs : Il refroidit l’arbre et certaines des autres pièces du turbocompresseur, et il permet à l’arbre de tourner sans trop de frottement.
La conception d’un turbocompresseur pour un moteur implique de nombreux compromis. Dans la section suivante, nous examinerons certains de ces compromis et verrons comment ils affectent les performances.
TROP D’IMPULSION ?
L’air étant pompé dans les cylindres sous pression par le turbocompresseur, puis comprimé davantage par le piston, le risque de cognement est plus grand. Le cognement se produit parce qu’en comprimant l’air, la température de l’air augmente.La température peut augmenter suffisamment pour enflammer le carburant avant que la bougie d’allumage ne s’allume. Les voitures équipées d’un turbocompresseur doivent souvent fonctionner avec du carburant à indice d’octane plus élevé pour éviter de cogner. Si la pression de suralimentation est vraiment élevée, le taux de compression du moteur peut devoir être réduit pour éviter les cognements.
Pièces de turbocompresseur
L’un des principaux problèmes des turbocompresseurs est qu’ils ne fournissent pas une augmentation de puissance immédiate lorsque vous mettez les gaz. Il faut une seconde à la turbine pour atteindre sa vitesse de croisière avant que la surpression ne soit produite. Il en résulte une sensation de retard lorsque vous mettez les gaz, puis la voiture avance lorsque le turbo se met en marche.
Une façon de réduire le décalage du turbo est de diminuer l’inertie des pièces en rotation, principalement en réduisant leur poids. Cela permet à la turbine et au compresseur d’accélérer rapidement, et de commencer à fournir une poussée plus tôt. Un moyen sûr de réduire l’inertie de la turbine et du compresseur est de réduire la taille du turbocompresseur.
Un petit turbocompresseur fournira la poussée plus rapidement et à des régimes plus bas, mais il ne pourra pas fournir beaucoup de poussée à des régimes plus élevés lorsqu’un volume d’air très important est envoyé dans le moteur. Il risque également de tourner trop vite à des régimes plus élevés, lorsque beaucoup d’air d’échappement passe dans la turbine.
La plupart des turbocompresseurs automobiles sont équipés d’un wastegate, qui permet d’utiliser un turbocompresseur plus petit pour réduire le retard tout en empêchant le moteur de tourner trop vite à des régimes élevés. La wastegate est une soupape qui permet aux gaz d’échappement de contourner les aubes de la turbine. La wastegate détecte la pression de suralimentation. Si la pression devient trop élevée, cela peut indiquer que la turbine tourne trop vite, alors la wastegate contourne une partie des gaz d’échappement autour des aubes de la turbine, ce qui permet aux aubes de ralentir.
Certains turbocompresseurs utilisent des roulements à billes au lieu de roulements à fluide pour supporter l’arbre de la turbine. Mais ce ne sont pas des roulements à billes ordinaires : ce sont des roulements super-précis faits de matériaux avancés pour supporter les vitesses et les températures du turbocompresseur.
Ils permettent à l’arbre de la turbine de tourner avec moins de friction que les roulements à fluide utilisés dans la plupart des turbocompresseurs. Ils permettent également d’utiliser un arbre légèrement plus petit et plus léger. Cela permet au turbocompresseur d’accélérer plus rapidement, ce qui réduit encore le retard du turbo.
Les aubes de turbine en céramique sont plus légères que les aubes en acier utilisées dans la plupart des turbocompresseurs. Là encore, cela permet à la turbine de tourner plus rapidement, ce qui réduit le décalage du turbo.
Utiliser deux turbocompresseurs et plus de pièces de turbo
Certains moteurs utilisent deux turbocompresseurs de tailles différentes. Le plus petit tourne très vite pour atteindre la vitesse, ce qui réduit le retard, tandis que le plus gros prend le relais à des régimes plus élevés pour fournir plus de puissance.
Lorsque l’air est comprimé, il se réchauffe ; et lorsque l’air se réchauffe, il se dilate. Ainsi, une partie de l’augmentation de pression d’un turbocompresseur est le résultat du réchauffement de l’air avant qu’il n’entre dans le moteur. Afin d’augmenter la puissance du moteur, le but est de faire entrer plus de molécules d’air dans le cylindre, et pas nécessairement plus de pression d’air.
Un intercooler ou refroidisseur d’air de suralimentation est un composant supplémentaire qui ressemble à un radiateur, sauf que l’air passe aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’intercooler. L’air d’admission passe par des passages étanches à l’intérieur du refroidisseur, tandis que l’air plus frais provenant de l’extérieur est soufflé sur les ailettes par le ventilateur de refroidissement du moteur.
L’intercooler augmente encore la puissance du moteur en refroidissant l’air pressurisé qui sort du compresseur avant qu’il n’entre dans le moteur. Cela signifie que si le turbocompresseur fonctionne à une pression de 7 psi, le système d’intercooler ajoutera 7 psi d’air plus frais, qui est plus dense et contient plus de molécules d’air que l’air plus chaud.
Un turbocompresseur est également utile à haute altitude, où l’air est moins dense. Les moteurs normaux auront une puissance réduite à haute altitude parce que pour chaque course du piston, le moteur recevra une masse d’air plus petite. Un moteur turbocompressé peut également avoir une puissance réduite, mais la réduction sera moins importante car l’air plus fin est plus facile à pomper pour le turbocompresseur.
Les voitures plus anciennes équipées de carburateurs augmentent automatiquement le débit de carburant pour correspondre à l’augmentation du débit d’air entrant dans les cylindres. Les voitures modernes à injection de carburant le feront également jusqu’à un certain point. Le système d’injection de carburant s’appuie sur des capteurs d’oxygène dans l’échappement pour déterminer si le rapport air/carburant est correct, donc ces systèmes augmenteront automatiquement le débit de carburant si un turbo est ajouté.
Si un turbocompresseur trop puissant est ajouté à une voiture à injection de carburant, il se peut que le système ne fournisse pas assez de carburant – soit le logiciel programmé dans le contrôleur ne le permet pas, soit la pompe et les injecteurs ne sont pas capables de le fournir. Dans ce cas, d’autres modifications devront être apportées pour tirer le meilleur parti du turbocompresseur.
