Le turbo

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L'histoire du turbo

L'idée de concevoir le turbocompresseur venait de l'interrogation " comment utiliser l'énergie perdu par les gaz d'échappement ? ". En effet l'énergie délivrée par le moteur se divise ainsi :
- 30 % se retrouve au vilebrequin (c'est donc cette énergie qui se retrouve à nos roues)
- 30% est absorbé par le liquide de refroidissement.
- 30% se retrouve dans la chaleur des gaz d'échappement.
- 10 % pour rayonnement moteur, huile, …

Vous l'aurez compris, le turbocompresseur permet de mettre à profit les 30% d'énergie contenu dans les gaz d'échappement pour permettre la suralimentation. Ainsi le brevet du turbo fut déposé en 1905 par l'ingénieur Büchi, et les premières applications apparaissent dans l'aviations, puis sur les moteurs de camions (en remplacement du compresseur) et moteur marin.

Il apparaît sur les voitures de tourisme dans les années 70 avec notamment la Porsche 911 turbo apparut en 1977 (la violence de ce turbo a fait beaucoup parlé !). Par la suite Renault a sorti les modèles R9, R11, R5 et super cinq turbo pour contrer les GTI de l'époque (et notamment la golf GTI !). Mais la encore la violence des turbos engendrée par un temps de réponse trop long fesait que la la puissance avait tendance à arriver de manière brutale compliquant alors le pilotage de la voiture. Ferrari succomba aussi à la mode du turbo et même bi-turbo pour ses modèles 288 GTO et F40.

Le monde de la compétition a également vu fleurir les moteurs turbocompressés et notamment les F1 ou l'on se souvient des 1500 ch que pouvaient sortir à l'époque des blocs de seulement 1.5l ! les rallyes voyaient également des monstres comme la 205 T16, audi quattro, Lancia delta S4, … toutes avec turbo et au moins 500 ch ! les puissances annoncées sont hallucinantes et même dangereuse (aujourd'hui les voitures de rallyes WRC sont toujours avec turbo mais comporte une bride et il n'y a plus de turbo en F1).

Aujourd'hui les turbos reviennent car mieux étudié, leur temps de réponses a été considérablement réduit les moteurs sont de plus en plus suralimentés. On les trouves sur la quasi totalité des diesels d'aujourd'hui (Volkswagen a été le précurseur avec la golf GTD sorti au début des année 80) et de nombreuses applications essences fleurissent. Ils permettent ainsi le downsizing.

Constitution du turbo

Le principe est de fonctionnement est relativement simple : les gaz d'échappement rentre dans le carter (ou volute) situé à droite (par les flèches noirs) et permet donc la rotation de la turbine qui elle même entraine mécaniquement, via un axe, la roue du compresseur située dans son carter. Cette dernière permet donc de gavé le moteur en air et de réaliser la suralimentation. Bien sur vu la taille de la roue, celle-ci doit tourner jusqu'à 200000 tr/min pour gaver suffisamment le moteur (rien à voir donc avec un simple compresseur !).



Revue des différents élements

-le carter et roue compresseur :



Ces deux éléments fonctionnent à des températures d'environ 200 °C au maximum et sont donc fabriqués en alliage d'aluminium.

Ce matériaux permet en outre d'abaisser les températures dut a la compression de l'air mais également la masse de la roue (très important en terme de temps de réponse). De plus ce matériaux doit présenter une très bonne résistance à l'allongement (aux extrémités de la roue les vitesses peuvent dépasser les 500 m/s d'ou une force centrifuge très importante) pour éviter d'aller frotter son carter.

- l'axe et les paliers



Ces éléments permettent une transmission mécanique entre les deux roues. Les paliers, situés dans le carter central, assurent donc le guidage en rotation de l'axe et les butées évitent les déplacements latéraux de l'ensemble.

Ces paliers sont des bagues montées le plus souvent flottantes et alimentés constamment en huile (à un débit de 2 à 4 l/min) afin de créer un film d'huile entre les éléments assurant ainsi des frottements minimums. Le bronze est le matériau qui est le plus couramment utilisé. L'équilibrage de l'axe avec les roues est également primordiale afin d'éviter le balourd à haute vitesse (jusqu'à 200000 tr/min pour rappel !).

- La turbine et sa volute



sont sans doute les pièces soumis aux plus fortes contraintes en raison des températures des gaz pouvant atteindre 1000°C (plutôt 800 °C en diesel). Pour éviter d'ailleurs une propagation trop importante de cette chaleur vers les deux autres carters une protection thermique d'inox est installé (la céramique peut aussi être utilisée).

Sur un moteur essence on s'attachera à avoir un matériaux apte à résister aux fortes températures mais également à l'oxydation à chaud (ce dernier point est très important car le phénomène d'oxydation a l'intérieur de la volute conduit à de l'arrachage de matière sur la surface interne du carter, abîmant ainsi la turbine). On choisira donc de la fonte à haute teneur en nickel pour ces très bonnes propriétés de résistance à la température. Sa quantité peut aller de 20% à plus de 50 % pour l'inconel (pour turbo fortement sollicité vers les 1100°C max). le chrome est également présent pour sa résistance a l'oxydation à haute température(d'ailleurs ce matériau sert à la conception d'échappement inox). Les proportions vont de 2% (pour carter fonte) à environ 15% (pour l'inconel). Le silicium peut également être présent pour sa dureté (le sable est composé de silicium).

En diesel les températures plus faibles font que l'on ne rencontre pas systématiquement du nickel (ou à faible teneur). Un mazout étant un moteur a forte teneur en oxygène (richesse très faible), l'oxydation est combattu par la composition du couple silicium-molybdène dans la volute d'échappement. En effet pas besoin de chrome coûteux car ces matériaux suffisent pour les températures atteinte.
On notera également que sur certains turbos, un revêtement en céramique est appliqué sur la paroi interne du carter afin de garder la chaleur du turbo

Systême de commande du turbo

Nous avons vu qu'un turbo a la capacité de gaver le moteur en air. Plus le débit à l'admission sera élevé, plus il le sera à l'échappement (logique !), ce qui va donner encore plus d'énergie à la turbine (débit et température sont les deux facteurs qui permettent la rotation du turbo, voir la formule plus haut). En donnant cette énergie en plus, le turbo va tourner encore plus vite augmentant donc encore le débit, qui à son tour va donner plus d'énergie … c'est un peu l'effet boule de neige et un sur-régime du turbo ou une casse moteur s'accompagne de tout ça. Il faut donc un moyen de réguler la pression du turbo afin d'éviter un emballement. C'est le rôle de la wastegate et de son clapet associé.
On distingue en fait deux types de commandes : le TGF (Turbo à Géométrie Fixe) et le TGV (Turbo à Géométrie Variable

- Le Turbo à Géometrie Fixe


Cette commande est la plus répandu mais commence par se faire détrôner sur tous les turbos de diesel modernes.

Le clapet de décharge permet de dévier une partie des gaz d'échappement hors de la turbine (c'est une sorte de by-pass), afin d'en limiter sa rotation. C'est la wastegate (ou poumon) qui permet de commander le clapet, en utilisant la pression du collecteur d'admission. A mis charge la pression est trop faible pour écraser le ressort et le clapet reste fermé. Dans ce cas ci, tous les gaz sont envoyés vers la turbine. A pleine charge, la pression admission est beaucoup plus élevée et le ressort s'écrase, laissant ainsi passer une partie des gaz contourner la turbine. Sur la plupart des moteurs ce clapet est intégré au corps de la volute d'échappement, (voir photo de gauche) mais cette solution présente l'inconvénient d'avoir en pleine charge deux flux de gaz se rejoignant en un en sortie turbo. Des turbulences aérodynamique sont alors crées avec toutes les pertes de charges qu'elles entraînent.

En compétition ou sur voiture haut de gamme la wastegate est dite " externe ", c'est a dire en dehors du carter d'échappement et est donc situés sur le collecteur (avec bien sur son clapet). Son circuit de décharge est donc hors de la tubulure d'échappement (cas des formules 1 turbo ou de certaines préparations japonaise), ou la rejoint assez loin dans la ligne. En raison des contraintes thermodynamique supérieures, (puisque directement accolé au collecteur) la wastegate est composée de plusieurs ailettes de refroidissement. Cela permet également d'éviter l'influence de la température sur la pression de commande du poumon.

A gauche vous avez un schéma de la wastegate, et à droite un exemple de wastegate externe montée sur la Ferrari F40. Noter le petit pot au milieu des trois qui correspond à la sortie wastegate ! La sortie est hors tubulure comme sur les F1 turbo.



- le Turbo à Géometrie Variable

Ce type de commande se répand de plus en plus en Diesel. Ici le principe reste le même, a savoir créer un by-pass de la turbine lors des fortes charge, mais cette fois ci l'équivalent du clapet (les ailettes en fait) est placé au plus près de la turbine. La commande TGV appelé aussi VNT (Variable Nozzle Turbo) est composé de plusieurs ailettes situé tout autour de la turbine qui guide donc le flux vers ou en dehors de la roue. une couronne permet de commander toutes les ailettes de façon à ce qu'elles soient toutes synchro (faudrait pas qu'une ailette soit fermé pendant que l'autre soit ouverte !).sur le schéma a droite la première position correspond à la position by-pass de turbine, et inversement pour l'autre.



A noter que la wastegate est rarement commandé par la pression de sural (comme sur une commande classique) mais via une pompe à vide et une électrovanne regulant alors la dépression dans le poumon. Le gros avantage est ici de pouvoir cartographié la pression de sural ! l'électrovanne viendra ajuster la dépression nécessaire dans la wastegate en fonction de la consigne de pression admission. Un capteur de pression est alors ajouté au circuit de sural.

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Map turbo

Bien évidemment le choix du turbo doit se faire en fonction des caractéristiques du moteur et des objectifs de performance. Ainsi un petit turbo offrira un temps de réponse court et sera très bien pour les bas régime, mais il risque fort à haut régime de saturer et la wastegate devra être régler de façon à " décharger " tôt afin d'éviter que le turbo ne fasse trop bouchon (la pression dans le collecteur d'échappement peut alors être très importantes, défavorable donc au remplissage du cylindre et dans des cas extrêmes, favorisé l'affolement de soupapes !). Bref, les fabricants de turbo ont donc sorti des MAP qui définissent ainsi les caractéristiques des carter turbine et des roues de compresseurs. Les voici expliquées :

MAP compresseurs et TRIM:

Le TRIM définit le rapport entre le petit diamètre (D2) de la roue sur le grand diamètre (D1) ramené au carré et multiplié par 100 (quoique l'on trouvera parfois des TRIM 45 ou 0.45 qui indique simplement que la multiplication par cent n'a pas été effectuée !). Voici une MAP de compresseur du turbo T3 trim 60 de garrett.



Alors en abscisse (axe horizontale pour rappel !), on trouve le débit traversant le turbo en livre/minute (unité anglaise qu'utilise le français garrett !), et en ordonné se trouve le rapport entre la pression sortie compresseur et l'entrée (comme en entrée, on a environ un bar on dira que les valeurs de l'axe sont celle de la sortie compresseur). Bon vous l'aurez compris le but recherché est de faire fonctionner le moteur dans la zone intérieur des limites. A l'intérieur de cette zone se trouve des courbes parallèles d'isovitesse turbo (en tr/min), et des zones d'iso-rendement en forme de " patate " (la zone de meilleur rendement est celle du milieu). Expliquons un peu les limites :

- Limites survitesses :
le turbo possède sa propre limite vitesse qui est lié au diamètre de sa roue. en effet, plus grand est le diamètre plus grand sera la force centrifuge auquel sera soumis l'extrémité de la roue. Souvent la vitesse maxi autorisé en bout de pale est de 450 m/s. Dépasser ces limites serait prendre un risque de contact entre pale et turbine d'autant plus que les températures ont tendance à allonger les ailettes.

- Limites rendement :
le rendement compresseur exprime la capacité du turbo à fournir de l'énergie sous forme de pression et non pas de température (car on cherche à échauffer l'air admission au minimum). Pour les matheux voici la formule :

- Limites pompage :



le pompage se produit quand on a un débit d'air faible avec une forte pression dans la ligne admission. En effet, sous une faible inertie de la veine gazeuse (par un petit débit) la forte pression en sortie turbo tend à refouler les gaz par l'entrée ( !!), créant ainsi de fortes variations de débit, se traduisant par de fortes vibrations au niveau de la roue. En roulant en stabilisé on obtient rarement du pompage, il se produit plutôt lors d'un relevé de pied par exemple. Reprenons la MAP du compresseur pour comprendre (à droite).
En vert disons que vous roulez en stabilisé sur le régime de couple (donc assez près du rendement optimale si le turbo a été judicieusement choisi !),et d'un coup vous relevez le pied. Le débit baisse d'un coup et la pression augmente instantanément (du fait de la fermeture papillon), on passe alors sur le point rouge. Bien sur la pression va vite chuter, mais en l'espace de quelques dixièmes de seconde, on sera dans la zone de pompage, d'ou usure des pales dut au vibrations engendrées.
On voit donc bien l'intérêt de la dump-valve. Cet élément, qui fonctionne comme une wastegate, permet de décharger les conduits d'admission lors de violents levée de pied (au son pshiiiit caractéristique), et permet en évitant le pompage d'améliorer la fiabilité du turbo mais également son temps de réponse lors d'un écrasé de pied suite à un levé. Le point bleu sur la figure indique donc un levé de pied avec dump valve. Les constructeurs utilise aussi les dump valves (ils les appellent souvent pop-off) mais rejette l'air admission en amont du compresseur plutôt qu'a l'air libre (ex : megane RS). Il n'y a plus le fameux pchiiiit !

Maintenant, en ayant expliqué les limites du champ compresseur, on comprends mieux pourquoi il est très important d'avoir un turbo adapté à son moteur. Tout dépend donc du besoin en air, et donc le débit, que pourra recevoir le moteur (dépend de sa cylindré, perméabilité culasse, …). Avec les schémas à droite, on compare notre fameux T3 au trim 60 avec son homologue avec un trim 50. On constate qu'en passant du premier au second, que le champ s'est déplacé vers la gauche (vers des débits plus faible). A nous de connaître le besoin en air de notre moteur pour choisir le bon turbo.
Bien entendu on ne peut rien faire de précis sans un banc d'essais et l'instrumentation qui va bien, mais on peut s'approcher un peu des valeurs réelles par calcul.



Le A/R

L'autre caractéristique importante du turbo est le A/R avec le A désignant la surface d'entrée du carter de turbine, et le R, le rayon de la volute. On parlera en fait de perméabilité turbine, à savoir que plus le A/R sera faible, plus la perméabilité sera faible. C'est à dire, que le turbo pourra très tôt fournir de la pression (d'ou un faible temps de réponse) mais occasionnera à haut régime une pression collecteur d'échappement très élevé néfaste aux perfos. Un réglage de la wastegate s'impose alors pour trouver le bon compromis.
Un A/R élevé aura donc un temps de réponse important, mais sera plus approprié pour les hauts régime. La encore tout est histoire de compromis …


La température du turbo

Allez pour clore ce chapitre parlons des différents moyens mis en œuvre pour conserver au maximum la température du turbo. Pour comprendre l'importance de cette température voici la formule qui exprime la puissance absorbé par la turbine :

Ici Q exprime le débit échappement et T5 et T4, les température de sortie et d'entrée turbine. Ces deux facteurs conditionneront donc la puissance absorbée par la turbine. Le débit étant fonction du débit admission, on ne peut pas trop jouer sur ce paramètre, et c'est donc sur la température que l'on apporter des améliorations dont voici quelques solutions :

- la première se trouve au niveau de la conception du collecteur d'échappement en lui même, qui doit être le plus court possible tout en veillant à sa propre perte de charge. Sur les moteurs en V, on préférera donc plutôt une solution bi-turbo (un pour chaque banc de cylindre) plutôt qu'un seul afin d'éviter de trop longue tubulure d'échappement.

- Une bonne méthode est de calorifuger le collecteur d'échappement ainsi que la volute du turbo. De cette manière ces deux pièces dissipent un minimum de chaleur de façon à la garder au mieux lors de levée de pied par exemple.

- Les matériaux choisis comme la céramique peuvent contribuer à minimiser la dissipation de chaleur (les turbos de F1 avait une turbine en céramique), mais le prix et sa résistance (la céramique est très " cassante") font que son utilisation est consacré à la compétition.

- Le bang-bang est un système utilisé depuis dix ans environ sur les rallyes. Ce système ne s'actionne que lors d'un brusque levée de pied, ou pour garder une bonne température le calculo va mettre du retard sur l'avance à l'allumage, ce qui va donc décaler la combustion vers l'échappement. Les températures sont alors très fortes et un délai de mis en action doit être établi pour éviter de cramer les soupapes. Lors de la relance (pratique donc pour une sortie d'épingle), le turbo déjà chaud offre très vite toute sa sural. Une détonation se produit aussi, d'ou le nom du système !

Schema d'un moteur turbo

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Il existe deux types de roulement pour les turbocompresseurs : le roulement à manchons (journal bearing ou fluid bearing) et le roulement à billes (ball bearing). Le roulement à manchons est le plus répandu, principalement en raison de son bas prix et de la facilité avec laquelle on peut se le procurer. Toutefois, les roulements à billes sont de plus en plus populaires et recherchés pour leur performance meilleure. De plus, la technologie permet maintenant de les produire à plus faible coût. En effet, les turbos à roulement à billes répondent plus rapidement, surchauffent moins et sont plus efficaces, car ils créent moins de friction que les turbos à roulement à manchons. Il existe aussi des turbos à double roulement à billes (dual ball bearing), évidemment plus chers mais encore plus efficaces !

Le lag (spool time):

Représente le délai que prend le turbo pour accumuler assez d’énergie et compresser tout l’air contenu dans l’admission, le côté froid du turbo, les tuyaux, le refroidisseur de suralimentation, le collecteur d’admission et les cylindres, jusqu’à la pression désirée. Plus le volume d’air présent dans tout le système d’admission jusqu’au moteur est élevé, plus le lag sera élevé. La grosseur du turbo et la restriction d’air sont aussi des facteurs déterminants lorsqu’on parle de lag. Le maximum de puissance (et de plaisir) étant obtenu au maximum de pression désirée, le lag est une perte de temps indésirable. C’est pourquoi il est important de choisir minutieusement la dimension de tous ces composants en fonction de l’application qu’on veut en faire.

"L'anti-lag" ou "misfiring system" ou encore "bang-bang"(en reference a la double detonation):

est un système,fait par programmation du boitier qui envoie de l'essence a un moment precit qui produit de petites explosions dans le collecteur déchappement trés chaud en amont du turbo donc pour maintenir celui-ci dans les tours pour réduire sont temps de charge/réponse (lag).

Le defaut de ce systeme c'est que le turbo et la ligne souffre beaucoup