Comment choisir le bon turbo pour sa base atmo

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Un des moyens les plus simples ( pas forcément le moins cher ) d'augmenter les perfs d'un véhicule est le passage à la suralimentation.

Il existe, des suralimentations par compresseur ou par turbo compresseur.

Je vais plutot m'orienter sur le turbo car il en existe une gamme énorme contrairement à un compresseur volumétrique qui en général, est proposé comme un " kit " et donc en principe correct pour le moteur destiné.

Beaucoup se disent " je vais équiper ma caisse en turbo " tout ça parceque grâce à ebay, il existe des kits très abordables.

Malheureusement, il s'agit souvent de turbo No name et donc, il durent certainement moins longtemps que l'homologue de marque.

Les plus bricoleurs d'entre eux vont jusqu'à adapter un turbo provenant d'un diesel ou d'une autre voiture. Low budget sucks !

Malheureusement ce n'est pas aussi simple que ça, un turbo ça se choisi en fonction des caractéristiques du moteur et de l'objectif que l'on veut se fixer.

On va donc entrer dans la théorie et ensuite la pratique

Le Trim



Le trim est un rapport entre le diamètre d'entrée et le diamètre de sortie de la turbine ou du compresseur

Exemple : Un garrett GT2871R ' 56 Trim '

Inducer diameter = 53.1mm
Exducer diameter = 71.0mm



Pour un même compresseur, par exemple un T4 on peut avoir un trim 40, 46, 50, 57 etc... Plus le trim est élevé plus le compresseur à un débit d'air important.

Le rapport A/R

Le rapport Area/Radius ou Surface/Rayon est une caractéristique du carter de turbine ou du carter de compresseur.



Compresseur A/R : La performance du compresseur est relativement insensible aux changements de A / R. Agrandir l'A / R des carters sont parfois utilisés pour optimiser les performances des applications à faible régime, et des petits A / R sont utilisés pour des applications à haute régime. Cependant, cette influence de l'A / R sur la performance du compresseur est mineure et en général, il n'y a pas d'options d' A/R disponibles pour les carters de compresseur.

Turbine A/R : La performance de la turbine est grandement affectée par la modification des A / R des carters, vu qu' il est utilisé pour ajuster le débit de la turbine. Utiliser un petit A / R va augmenter la vitesse des gaz d'échappement dans la turbine.
Cela permet d'augmenter l'efficacité des turbines à basse vitesse du moteur, entraînant une réponse rapide du turbo. Toutefois, avec un petit A / R, le flux va entrer tangentiellement dans la roue , ce qui réduit la capacité de débit de la turbine. Cela aura tendance à augmenter la contrepression des gaz d'échappement et donc de réduire la capacité du moteur à "respirer" efficacement à haut régime, ce qui nuirait à la puissance.
En utilisant un A/R plus grand on va donc avoir une vitesse des gaz plus faible à bas régime mais un débit plus important à haut régime. Cela va donc au détriment de la réponse du turbo car en ayant un débit faible à bas régime il faut plus de temps pour atteindre une vitesse de flux adéquate.

Le problème qui se pose ici va donc être que le choix de la turbine qui va devoir être un compromis entre bas régime et haut régime.
Pour une utilisation style rallye etc ou les relances dès les bas régimes sont nécessaire, un petit A/R s'impose. Dans le cas des Runs par exemple ou seul la puissance compte, on prendra un A/R plus grand.

Le compressor flow map

Le flow map est une carte graphique qui décrit les caractéristiques de performance du compresseur, y compris l'efficacité, la gamme de débit d'air, la capacité de pression et la vitesse turbo.



Les points de fonctionnements de votre moteur doivent se trouver impérativement dans la " toile d'arraignée ".
- Le cercle central défini, le meilleur rendement du compresseur.
- La limite la plus à gauche " surge " est la limite sous laquelle il ne faut pas faire fonctionner le turbo car il s'agit d'une zone d'instabilité ( turbulences etc... ) qui peuvent détruire le compresseur.
- La limite la plus à droite " choke " nous dit que le turbo est arrivé en saturation de débit.
- Les lignes " turbocharger speed line " définissent la vitesse de rotation du turbo. Si on dépasse la vitesse maxi parceque la pression exigée est trop importante pour le turbo choisi, la turbine peut donc voler en éclat.

Pour savoir lire le graphique il faut donc prendre en compte plusieurs facteurs et comprendre ce que signifie l'axe des Y
Pressure Ratio est un rapport entre la pression de BOOST et la pression atmosphérique. Etant donné que les turbo sont souvent des copies de Garrett, il faut donc travailler en unité anglo-saxones.

La pression atmosphérique au niveau de la mer correspond chez nous à environs 1.013 bar. Cela équivaut à 14.7 PSI
Lorsqu'on dit que le turbo souffle à 1 bar, c'est parcequ'il souffle 1 bar de plus que la pression atmosphérique. On appelle ça, la pression relative ( la pression atmo étant le point de départ " 0 " )
La pression absolue prend donc en compte la pression atmo + la pression de boost.
La pression absolue en utilisant un turbo à 1 bar signifie que cette pression est de 1+1 = 2 bars absolu.

Le "pressure ratio" est donc calculé comme suit :

Pabso/Patmo

ex Pabso = 26.7 psi ( environs 2 bars )
Patmo = 14.7
26.7/14.7 = 1.82

Ce 1.82 est la valeur qu'on va retrouver sur l'axe des Y du compressor map.

Donc dans le cas du flow map que l'on vient de voir, si on repère les zones qui sont parcourue par le facteur 1.82, on peut s'apercevoir que l'on ne se trouve pas dans les meilleures plage d'utilisation du turbo et par conséquent, le turbo serait trop gros pour un setup nécessitant 1bar de sural.

Maintenant nous allons déterminer les points de fonctionnement du moteur sur le flow map

Flow map plot

Pour déterminer le débit d'air nécessaire pour une puissance souhaitée avec un dosage d'air/essence souhaité

:arrow:flow target



· Wa = Airflow (lb/min)
· HP = Horsepower Target (au volant moteur)
· A/F = Air/Fuel Ratio
· BSFC = Brake Specific Fuel Consumption

Le BSFC pour un turbo est d'environs 0.50 ~ 0.55

exemple un moteur de 400 chevaux avec un AFR de 12:1 et un BFSC de 0.55

Wa = 400 * 12 * 0.55/60 = 44 lb/min ( en système métrique cela fait ~ 20 kg/min d'air )

Cette première estimation permet de choisir un turbo qui se doit de délivrer au moins 44 lb/min mais nous n'avons pas prit en compte la cylindrée du moteur.

En effet, il faudra une pression turbo plus élevée sur une petite cylindrée pour atteindre ces 44 lb/min qu'une grosse cylindrée pour un même régime moteur.

:arrow:Pression turbo pour atteindre le flow target



· MAPreq = Manifold Absolute Pressure (psia) nécessaire pour atteindre la puissance voulue
· Wa = Airflow (lb/min)
· R = Constante des gaz = 639.6 ( différent chiffre dans le système métrique )
· Tm = Intake Manifold Temperature (degrés F)
· VE = Volumetric Efficiency ( Taux de remplissage )
· N = Engine speed (RPM)
· Vd = cylindrée du moteur (en Cubic Inches, convertir de litres en CI on multiplie par 61.02, ex. 2.0 L * 61.02 = 122 CI)

Exemple 1 : On considère un moteur 2L

· Wa = 44 lb/min calculé au départ
· Tm = 130 degrees F
· VE = 92% à la puissance maximale
· N = 7200 RPM
· Vd = 2.0 L * 61.02 = 122 CI



La réponse donne 41.1 psia ( pression absolue ) qu'il faut soustraire par la pression atmo ( 14.7psia )
On a donc, 41.1-14.7 = 26.4 psig ( g = gauge ou pression de manomètre Boost )

Pour atteindre les 400cv avec le 2L il faut donc pousser la pression turbo à 26.4 psi soit 1.8 bar de pression de sural.

Exemple 2 : On recherche le même débit d'air mais en utilisant un moteur de 5L de cylindrée

· Wa = 44 lb/min
· Tm = 130 degrees F
· VE = 85% à la puissance max (V8 à culbuteur)
· N = 6000 RPM
· Vd = 4.942*61.02= 302 CI



La réponse donne 21.6 psia soit 6.9psig ( 0.46 bar de pression de sural )

Donc la cylindrée du moteur conditionne la pression nécessaire dans le collecteur d'admission. Pour une même puissance, plus la cylindrée est grande moins nous avons besoin de pression de sural.
Mais nous avons besoin dans les 2 cas de 44 lb/min de débit massique d'air.

On comprend donc que pour les même besoin en air, les pressions sont différentes et donc le choix du turbo sera différent pour les 2 cylindrées.

Malheureusement ce n'est pas encore fini...
Il y a des pertes de charge à cause du filtre à air, de l'intercooler, des conduites etc. Cette perte de pression doit être prise en compte lors des calculs.
Pour les meilleurs setups on peut considérer une perte de 1psi dans le circuit d'air.
Pour les montages turbo sur des moteurs stock ( donc les kits turbo ) il faut prendre en compte 4 psi voir plus.

Exemple :

Notre moteur 2l calculé juste avant doit fournir une pression de sural de 26.4 psig. Si nous avons une perte de 2 psi à l'admission, il faut donc compenser cette perte en augmentant la pression du turbo. La pression finale sera donc de 28.4 psig soit 43.1psia

:arrow:Plot sur compressor map

Maintenant que nous avons déterminé la pression pour atteindre les 400cv on va pouvoir vérifier quel turbo peut convenir à notre application.

On démarre par exemple avec un GT2860RS trim 60.

Nous connaissons le débit d'air soit 44 lb/min
Il faut trouver le " pressure ratio " par la méthode qui se trouve au tout début du topic.

Nous avons pour le 2L : 43.1/13.7 ( on prends en compte 1 psi de perte -> 14.7 -1 )
ce qui nous donne un ratio de 3.14

Pour le 5L : 23.6/13.7 = 1.72

On place ces coordonnées sur le compressor map du turbo choisi



On constate que ce turbo est tout à fait obsolète pour sortir les 400cv des 2 moteurs.

On prend donc un autre turbo, GT3076R trim 56



Nous avons quelque chose de mieux, les 2 points se trouvent au moins sur la carte.

Pour le 2L : Le point se trouve dans la partie centrale de la carte, ce qui est très bien d'un point de vue rendement turbo mais il est très probable que pour les régime inférieurs, le turbo ne soit pas adapté et par conséquent il risque de ne pas être facile à conduire. C'est le cas recherché lorsque la puissance max est visée à haut régime au détriment de la souplesse à bas régime.

Pour le 5L : Ce turbo sera très bien pour une utilisation routière car les bas régimes vont se trouver dans la partie centrale de la carte avec une bonne marge en ce qui concerne d'atteindre la zone d'instabilité.
Par contre, on risque d'entrer dans des conditions d' " over speed " si on désire augmenter le régime moteur ( calculé à 6000 rpm )
Si tel est le cas il faudra choisir un autre compresseur.

En utilisant un GT3071R trim 56



Pour le 2l : Ce turbo nous permet de nous concentrer sur une utilsation " mid range " du moteur car les régimes inférieurs vont se retrouver sur la partie centrale de la carte

Pour le 5L : Ce turbo est clairement trop petit

:arrow:Plot des régimes inférieurs sur la carte

On va prendre un régime de 5000 tr/min et on utilise une formule qui permet de calculer le débit massique d'air en connaissant la pression absolue



Pour le 2L on a



ce qui fait 32.5 lb/min

On retrace sur le compressor map



Le compresseur est donc bon pour maintenir cette pression élevée de suralimentation à 5000tr. On peut comprendre aussi que pour les régimes inférieurs, il faudra dimminuer la pression du turbo pour le pas atteindre la zone d'instabilité !

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Cas pratique, un turbo sur un D16Z6/y8

Pour vous dissuader de monter un kit turbo sur un moteur sans en maitriser les notions, je vais prendre un cas réel que j'ai pu rencontrer sur un forum.
Il est facile de se procurer un kit turbo pour un moteur D16 sur ebay.

Les kits proposés sont souvent des turbo no name T3/T4 qui sont des copies des Garrett T3/T4.
Ces turbos sont appelés " hybrides " car il s'agit d'un assemblage de turbine d'un turbocomp T3 avec un compresseur de turbocomp T4.
L'avantage c'est d'avoir une turbine plus petite qu'un T4, ce qui permet de réduire les temps de réponse et d'obtenir en même temps un compresseur plus grand que sur un T3 en utilisant celui du T4.

J'ai donc vu il n'y a pas longtemps un moteur turbo complet à vendre. J'ai donc été voir ce projet et je recopie ce que le gars annonce :

Carto PIV TurboD16 1 bars de sural (entre 300 350cv ...)

Le turbo utilisé est un type T3-T4 A/R .50 trim 57

Voici le flow map



On va déterminer les points en vue d'obtenir 300cv

Rappel la formule est :



On utilise un BSFC de 0.55 et un dosage de 12:1

Wa = 300 * 12 * 0.55/60 = 33 lb/min

On calcule la pression d'admission nécessaire pour atteindre cette puissance en prenant compte de la cylindrée



· Wa = 33 lb/min
· R = Gas Constant = 639.6
· Tm = 130 degrees F
· VE = 92% @ pmax
· N = 6800 RPM ( régime de puissance max sur un d16 atmo )
· Vd = 1.6 L * 61.02 = 97.632 CI

Le résultat



N'oublions pas de comptabiliser environs 2 psi de pertes ce qui nous donne 42.77 psia

Pour savoir combien de pression turbo est nécessaire pour atteindre 300cv on fait 42.77-14.7 = 28 PSIg soit 1.9 bars de suralimentation.

Donc le type avait déjà faux sur la pression du turbo car avec 1 bar il aurait été très nettement en dessous de la puissance espérée ( 216cv exactement après calcul )

Maintenant on va voir si le turbo permet d'atteindre les 300cv avec 1.9 bar de pression

Débit d'air = 33 lb/min
Pressure ratio = 42.77/14.7 = 2.9



On peut donc dire que le turbo permet en effet de sortir plus de 300cv pour le d16. Cependant ce turbo conviendrait mieux pour des régimes plus élevés et des cylindrées plus importantes. Par contre si le gars veut tourner à 1 bar de pression ( 14.7psi ) le turbo se trouve à son rendement maximum ce qui veut dire que les bas régimes seraient pénalisés. Ce n'est donc pas le meilleur candidat pour tourner en low boost comme beaucoup le font.

J'utiliserais donc un T3/T4e sur un B18 ou un B16 ou l'on veut viser max 400. Par contre pour le D16 j'opterais un turbo un peu plus petit qui pourrait mieux remplir la plage d'utilisation du moteur.

Conclusion

Ce topic est assez long et demande pas mal de concentration, ce qui me porte à croire que peu d'entre vous comprendrons le choix d'un turbo ou trouverons cela trop fastidieux pour se lancer dans les calculs.
Par ma part, le fait de réaliser le topic m'a permis de maitriser ces notions, ce qui est encore un plus dans mon bagage technique