Le TGV ou Turbo a Géometrie Variable

[Pierre3301 0]

Bonne lecture. Je poste ca en complement du post sur les turbo "classiques".

Je l'ai "repiqué" sur un autre forum ou je navigue...


Le turbo à géométrie variable et sa gestion :

Prenons un exemple simple : vous désirez faire tourner une machine grâce à un moulin à eau.
Malheureusement la vitesse du courant de la rivière peut varier, votre machine va donc à certains moments avoir des difficultés à tourner quand il y aura peu de courant.



Si vous construisez sur la rivière un canal de dérivation avec une vanne qui vous permet de dévier le flux vers votre roue à aubes, vous aurez une machine qui fonctionnera bien mieux car vous obtiendrez une augmentation de la vitesse du flux selon le principe suivant : à débit constant si vous diminuez la section, la vitesse du flux augmentera proportionnellement.

Q = S1*v1 = S2*v2

Q = débit
S = section
v = vitesse

Lorsque la vitesse du flux (courant de la rivière) augmentera il vous suffira d’ouvrir votre vanne de dérivation pour conserver à votre roue à aube une vitesse constante.

C’est exactement le principe du turbo à géométrie variable, on va faire varier le flux en fonction des besoins.

Principe du turbo compresseur :



Les gaz d’échappement sortant du moteur sont dirigés vers la partie turbine du turbo. Ils font tourner cette turbine qui est reliée sur un même axe à la partie compresseur.
L’air frais servant à alimenter le moteur pénètre dans le turbo et y est compressé par ce compresseur. Il en ressort et est la plupart du temps dirigé vers un intercooler servant à le refroidir. En effet la compression de l’air provoque une augmentation de sa température, l’air chaud étant moins dense, on perdrait une grande partie du gain de la compression si on ne le refroidissait pas avant de le diriger vers l’admission du moteur (le sens même du turbocompresseur étant d’augmenter la quantité d’air que peut admettre le moteur). Lorsque la pression maximale est atteinte, la capsule de pression ouvre le bypass (c’est une simple capsule à membrane avec un ressort) et une partie des gaz d’échappement est déviée du turbo. Le turbo ralenti ce qui a pour conséquence de réguler la pression de suralimentation en la maintenant dans des limites acceptables.

Deux soucis majeurs du turbocompresseur :
- Lorsque le moteur tourne à régime élevé, la vitesse de rotation du turbo augmente plus que nécessaire ce qui si on laissait la situation en l’état finirait soit par détériorer le moteur soit le turbo (pression de suralimentation trop importante).
- A contrario, à bas régime, le régime de rotation du turbo n’est pas suffisant que pour assurer des performances immédiates, c’est le fameux temps de réponse du turbo (Lag).

Pour répondre à ces deux soucis, deux solutions ont principalement été envisagées :
- A partir d’une certaine pression, on va dévier une partie du flux des gaz d’échappement qui ne transiteront plus par le turbo, le régime de rotation du turbo va donc être limité et la pression maintenue dans des limites acceptables (solution expliquée dans le croquis de principe). Cette solution ne résout cependant pas le problème de la réponse à bas régime.

- Pour résoudre ce second problème on peut évidemment opter pour un turbo de plus petite taille qui grâce à cette taille moindre sera plus prompt à répondre dès les bas régime, cela représente cependant l’inconvénient de réduire le passage des gaz d’échappement et comme il manquera de débit à haut régime, ce petit turbo ne pourra assurer une puissance suffisante dans ces hauts régimes de rotation du moteur.

Les hauts régimes sur un véhicule diesel de tourisme ne sont pas forcément ce qui est recherché, il fallait donc trouver une autre solution. On va donc faire varier le flux des gaz d’échappement au moyen d’aubes orientables et tant qu’à faire piloter ces aubes en fonction des besoins : c’est le turbo à géométrie variable. En fonction du pilotage des aubes on pourra obtenir une réponse immédiate avec peu de flux (cfr le croquis du moulin à eau).

Turbo à géométrie variable :



Comme on le voit par rapport au croquis précédent (turbo avec bypass), ici le flux des gaz d’échappement n’est plus dévié pour détourner le turbo mais on adapte la section via les aubes en fonction des besoins. C’est la géométrie variable. Afin de commander celle-ci en fonction des besoins on va utiliser une capsule à dépression. Pour la piloter il faudra donc agir sur la quantité de dépression lui parvenant, pour ce faire on utilisera une électrovanne, on y viendra par la suite.

Le fonctionnement de la géométrie variable :

Revenons à notre principe de restriction de passage qui augmente la vitesse du flux des gaz d’échappement. A bas régime, le flux des gaz d’échappement est lent, le turbo tournerait donc lentement et la pression de suralimentation serait basse. Pour que le moteur réponde rapidement à une sollicitation, on va donc diriger les aubes de façon à augmenter cette vitesse du flux afin d’obtenir le plus rapidement possible une vitesse de rotation plus élevée du turbo et donc une pression de charge élevée malgré le bas régime.



Une fois le moteur tournant à une vitesse plus élevée, la vitesse du flux des gaz d’échappement étant suffisante, on va piloter la géométrie variable afin de maintenir ou limiter la pression de suralimentation.



Schéma en coupe du turbocompresseur à géométrie variable :



Comment sont actionnées les aubes de la géométrie variable :



La tringle de commande est actionnée par la capsule à dépression. Il s’agit d’une simple capsule munie d’une membrane et d’un ressort.



Le mouvement est transmis à l’anneau qui pivote. Ce dernier est relié aux aubes via une commande et un axe. Les aubes adoptent donc un angle particulier selon l’action de la dépression. La quantité de dépression est régulée par le calculateur moteur via une électrovanne de commande (dénommée N75 chez VW).

A quoi correspond la position des aubes :

Bas régime et flux de gaz d’échappement lent, les aubes forment un angle fermé, le flux des gaz d’échappement va accélérer pour permettre une augmentation de la vitesse de rotation et une montée en pression.






La pression nécessaire est atteinte et suffisante. Les aubes forment un angle plus ouvert. C’est aussi la position de sécurité en cas de dépassement de pression.






La régulation par l’électrovanne N75 :
Selon les conditions d’utilisation et de conduite le calculateur moteur va déterminer quelle est la pression de suralimentation estimée nécessaire. Pour cela il est informé par divers capteurs qui le renseignent non seulement sur les intentions du conducteur mais aussi sur l’état de fonctionnement du moteur (nous y reviendrons plus tard).

Le calculateur va donc piloter par le biais d’une succession d’impulsions électriques (Duty cycle) une électrovanne (N75). Cette électrovanne est reliée à la pompe à vide et va s’ouvrir ou se fermer afin de mettre ou pas en communication avec la dépression la capsule de commande de géométrie variable. Dans les phases intermédiaires l’électrovanne équilibrera en fonction de la demande du calculateur entre pression atmosphérique et dépression. Cette mise à l’air libre est aussi nécessaire pour assurer un retour en position repos du système de dépression.

Le conducteur sollicite le moteur en accélérant :




La pression de suralimentation nécessaire est atteinte :




Situation intermédiaire :



L’électrovanne N75 :

Voici deux modèles de N75




Circuit de suralimentation :



La gestion de la pression de suralimentation :

Comme nous l’avons vu, la pression de suralimentation doit être adaptée aux conditions d’utilisation requises, c’est le calculateur moteur (J248) qui va se charger de cette gestion.



Calculateur J248 avec correcteur altimétrique et capteur pression suralimentation.

Pour la gestion de la pression de suralimentation, le calculateur va principalement utiliser les signaux venant des capteurs suivants :

- capteur de température d’air du suralimention (G72)
- capteur de vitesse moteur (G28)
- correcteur altimétrique (F96)
- capteur de pression de suralimentation (intégré au calculateur ou séparé G71).

En fonction de ces signaux il agira sur l’électrovanne N75 pour piloter la géométrie variable du turbo.

Le capteur de pression de suralimentation (G71) :

Selon les versions moteurs il est soit intégré au calculateur moteur, dans ce cas il est relié au conduit d’air de suralimentation via un tuyau, soit être un capteur indépendant (G71) et fournir un signal électrique au calculateur.
Son rôle est bien entendu d’informer le calculateur de la pression de suralimentation régant dans le conduit d’air.

Utilisation de l’information fournie par le signal :

Le signal sert à piloter via la N75 les aubes de la géométrie variable du turbo.

Fonctionnement en cas de défaut du signal :

Les aubes de la géométrie variable sont orientées de telle façon à obtenir la pression la plus basse, c’est une position de sécurité.



Correcteur ou capteur altimétrique (F96) :
La pression et la densité de l’air variant avec l’altitude, le calculateur moteur doit être informé afin de pouvoir adapter ses calculs.

Fonctionnement en cas de défaut du signal :

A défaut de signal le calculateur adoptera une valeur fixe prédéterminée.

Capteur de température d’air du suralimentation (G72) :

Le capteur de température d’air d’admission est installé sur la conduite d’air de suralimentation en aval de l’intercooler. Il sert à informer le calculateur sur la température de l’air admis.

Utilisation de l’information fournie par le signal :

La calculateur adopte ses réglages en fonction de la température de l’air de suralimentation (pour rappel l’air froid est plus dense que l’air chaud).

Fonctionnement en cas de défaut du signal :

Le calculateur adopte une valeur par défaut qui réduit la puissance.

Capteur de vitesse moteur (G28) :
Il informe le calculateur sur la vitesse de rotation du vilebrequin moteur et donc sur la vitesse de rotation du moteur.

Utilisation de l’information fournie par le signal :

Ce signal est indispensable au calculateur pour gérer de multiples paramètres (quantité de carburant injecté, point d’injection, contrôle du ralenti, pression de suralimentation).

Fonctionnement en cas de défaut du signal :

Le moteur ne peut pas être démarré en cas d’absence de signal ou il s’arrête si le signal fait défaut alors qu’il tourne.

Actuateur, électrovanne N75 :

En fonction des informations reçue le calculateur pourra agir sur la géométrie variable du turbo. Pour ce faire il va utiliser un actuateur nommée électrovanne N75.

Cette électrovanne va gérer la quantité de dépression agissant sur la capsule à dépression de commande de la géométrie variable, et ce, en fonction du signal reçu du calculateur (duty cycle).

Fonctionnement en cas de défaut du signal :
En cas de défaut du signal, l’électrovanne s’ouvre et reste en communication avec l’air libre. Plus aucune dépression n’est donc communiquée à la capsule à dépression de commande de la géométrie variable. Ceci correspond à la mise en sécurité.



Une fois le fonctionnement de ces divers éléments connu, on pourra lors d'un prochain sujet envisager le diagnostic des problèmes et les solutions pour y remédier.