LA SURALIMENTATION - LE TURBOCOMPRESSEUR Comment augmenter la puissance d'un moteur? 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. Le fonctionnement du turbocompresseur 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. I:\Cours apprentis\mécatronicien.2\dossiers\la SURALIMENTATION.doc 1
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 se situe aux alentours de 100'000 à 150'000 tr/mn et peut atteindre près de 250 000 tr/mn selon le type de moteur 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. I:\Cours apprentis\mécatronicien.2\dossiers\la SURALIMENTATION.doc 2
Etant générée par la (ou les) turbine(s) à gaz d échappement, la puissance absorbée par le compresseur n est plus soustraite au vilebrequin. Bien que ces turbines soient un obstacle à l écoulement des gaz brûlés, la contre-pression qui en résulte est plus que compensée par l augmentation de pression d admission fournie par le compresseur. D autre part, cette pression, dite aussi de suralimentation, est simplement autorégulée en fonction de la charge (le terme "pression du turbo" est absurde et inadéquat). La pression moyenne effective (PME) des moteurs Diesel et à essence peut être multipliée par 2, 3, voire par 4 et certains moteurs à essence turbo suralimentés de compétition ont atteint des puissances hallucinantes de 670 kw (900 ch) par litre de cylindrée. Cependant, pour un moteur de traction routière, soumis à de fréquentes et soudaines variations de charge et de régime, la turbo suralimentation présente l inconvénient d une inertie des parties rotatives des turbomachines qui s oppose à une élévation instantanée de la pression d admission lorsque l accélérateur est enfoncé. Le délai de réponse était prohibitif et l'on s'est efforcé de le minimiser en réduisant le diamètre des rotors de turbine et roues de compresseurs. De plus, la puissance d une turbine d échappement n est pas linéairement proportionnelle à l énergie du gaz qui l entraîne : ainsi, quand le régime du vilebrequin descend en dessous de celui pour lequel la turbine a été optimisée, la puissance de cette turbine chute plus rapidement que le régime du moteur. Aujourd hui encore, le résultat est que la pression d admission s effondre lorsque le régime tombe en dessous du tiers du nominal (régime nominal = régime de puissance maxi), alors qu à haut régime sous pleine charge cette pression de suralimentation peut être excessive. Une partie des gaz d échappement doit alors être déchargée par une soupape dite «waste gate», sans passer par la turbine. I:\Cours apprentis\mécatronicien.2\dossiers\la SURALIMENTATION.doc 3
Turbocompresseurs dits «à géométrie variable» Des aubages de stator de turbine à incidence variable permettent d élargir le champ du turbocompresseur, et par là, la plage d utilisation du moteur grâce à l adaptation de la section d entrée de turbine au débit massique et à la pression des gaz d échappement. L incidence des aubes d entrée de turbine est contrôlée de façon plus précise par un petit moteur électrique commandé par un module électronique plutôt que par une capsule pneumatique. I:\Cours apprentis\mécatronicien.2\dossiers\la SURALIMENTATION.doc 4
Réfrigérant d air d admission («intercooler») L'intercooler est un radiateur de refroidissement de l'air d'admission. Lorsque l'air d'admission du moteur est comprimé, sa température s'élève. L'air chaud occupe un plus grand volume que l'air froid, ce qui réduit " l'effet turbo ". L'air d'admission sortant du compresseur est réchauffé par le processus de compression et ce réchauffement nuit au rendement dudit processus puisque la densité d'un gaz diminue beaucoup avec l'élévation de sa température. En envoyant cet air dans un échangeur de chaleur qui le refroidit, on le densifie d une part, et d autre part on diminue les contraintes thermiques sur le moteur. I:\Cours apprentis\mécatronicien.2\dossiers\la SURALIMENTATION.doc 5