Turbocompresseur
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Un turbocompresseur est un organe annexe d’un moteur a combustion interne (essence ou diesel) destiné à augmenter la pression des gaz admis dans le moteur donc il permet un meilleur remplissage des cylindres en air ; ce type de compresseur récupère une partie de l’énergie cinétique contenue dans les gaz d'échappement.
Histoire
Le principe de la suralimentation des moteurs thermiques à combustion interne, a été proposé dès les premiers développements de ces moteurs.
- En 1905 le brevet du turbocompresseur a été déposé par l’ingénieur suisse Alfred Büchi.
- Une de ses premières applications a été un moteur Renault propulsant un avion de chasse pendant la Guerre 1914-1918 par l’ingénieur Auguste Rateau.
Cette technique de suralimentation est très souvent appliquée aux moteurs des automobiles de course. Elle est, en revanche, interdite dans certaines disciplines (Formule 1), après y avoir fait la loi pendant quelques années.
Ce principe est, à ce jour, largement répandu sur les moteurs Diesel modernes (HDI, DCI, DTI…) et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence.
Fonctionnement
Une turbine placée dans le flux des gaz d’échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse, elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur. Ce compresseur de type centrifuge aspire et comprime l’air ambiant, l’envoie dans les cylindres, en passant éventuellement par un échangeur air/air (intercooler) ou plus rarement air/eau pour le refroidir car la compression échauffe les gaz. Le fait d’envoyer l’air comprimé dans les cylindres permet d’améliorer le remplissage de ces derniers, qui sinon se remplissent par dépression, et permet donc d’augmenter sensiblement la quantité du mélange comburant/carburant donc la puissance du moteur.
Avantages et inconvénients
D’un point de vue mécanique, le turbocompresseur est un dispositif délicat, il fonctionne à des vitesses de rotation très élevées (typiquement 200 000 tr/min pour un turbocompresseur actuel, le plus souvent sa vitesse de rotation se situe autour des 100 000 tr/min pour des véhicules plus ancien s ex. : ZX, R19…) mais qui doivent être sévèrement maîtrisées (en effet, si la vitesse de l’extrémité des pales de turbine atteint une valeur supersonique, ou même seulement transsonique, le turbo est détruit !), avec des contraintes thermiques énormes (la turbine côté échappement est à une température dépassant les 800 °C sur moteurs diesel et 1 000 °C sur moteurs essence, et à quelques centimètres, du côté compresseur, la température est d’environ 20 °C), ce qui implique l’utilisation de méthodes et de matériaux particuliers pour sa fabrication, d'où résulte le prix d’un turbo.
La lubrification des paliers de l’arbre supportant les deux turbines du turbo est un problème crucial. Elle sert au fonctionnement normal des paliers en formant un film d’huile entre les parties en mouvement, mais aussi à son refroidissement intensif. Entre la vitesse de rotation et les températures, très importantes en charge, il est donc toujours conseillé de laisser un moteur turbocompressé tourner quelques secondes au ralenti avant de couper le contact, voire quelques minutes (après un long trajet à pleine charge). Sans cela, on coupe la lubrification des paliers du turbocompresseur avant que ce dernier n’ait eu le temps de ralentir suffisamment et que les températures n’aient pu redescendre (l’huile restant dans le turbo encore trop chaud cuit et encrasse les paliers), ce qui a pour effet de réduire sérieusement sa durée de vie.
Cependant, un turbocompresseur est plus compact, plus léger, et plus facile à installer qu’un compresseur classique entraîné mécaniquement. Le gros avantage, c’est que l’énergie pour comprimer les gaz d’admission provient des gaz d’échappement, qui sont généralement perdus. L’emploi d’un turbocompresseur augmente la puissance du moteur ainsi que son rendement.
On peut augmenter dans de grandes proportions la pression moyenne effective, et ainsi le couple et la puissance d’un moteur thermique à combustion interne, en augmentant la pression des gaz d'admission.
Le taux de compression doit cependant être alors adapté de façon que les pressions de compression (Pc) et de combustion (Pz) n’excèdent pas les limites admissibles. Pour les moteurs à essence, la limitation de Pc est nécessaire pour éviter les phénomènes d’auto-allumage et de détonation, alors que sur les moteurs Diesel, Pz n’est limité que par la résistance mécanique des structures du moteur, notamment de la culasse.
L’inconvénient de devoir abaisser le taux de compression géométrique combiné avec la non-linéarité de la pression fournie par les turbocompresseurs classiques fait que l’on avait le choix entre un moteur à fort taux de compression géométrique et faible pression de suralimentation, qui était alors souple, mais peu puissant, ou un moteur à faible taux de compression géométrique et forte pression de suralimentation, ce qui donnait un moteur très puissant, mais très creux à bas régime. C’est une des raisons pour lesquelles les turbocompresseurs n’ont jamais percé en motocyclette.
De nos jours, ce problème a été résolu par les turbocompresseurs à géométrie variable, qui délivrent une pression de suralimentation relativement constante.
Autre signification
Un turbocompresseur est un compresseur (en général, centrifuge) entraîné par une turbine (en général, une turbine à gaz),