Il ne fait aucun doute que chacun d’entre nous a remarqué au moins une fois dans sa vie la plaque « turbo » sur une voiture ordinaire. Comme s’il s’agissait d’une volonté délibérée, les constructeurs fabriquent ces plaques de petite taille et à des endroits peu visibles, de sorte qu’un passant non averti ne les remarquera pas et passera à côté. En revanche, une personne avertie s’arrêtera certainement et s’intéressera à la voiture. Voici une histoire sur les raisons de ce comportement.
Les concepteurs automobiles (depuis l’apparition de cette profession) sont constamment préoccupés par le problème de l’augmentation de la puissance du moteur. Selon les lois de la physique, la puissance du moteur dépend directement de la quantité de carburant brûlée au cours d’un cycle de travail. Plus la quantité de carburant brûlée est importante, plus la puissance est élevée. Et si nous voulons augmenter le « nombre de chevaux » sous le capot, comment faire ? C’est là que le bât blesse.
Le fait est que l’oxygène est nécessaire à la combustion du carburant. Ce n’est donc pas un carburant, mais un mélange carburant-air qui brûle dans les cylindres. Il est nécessaire de mélanger le carburant et l’air, non pas à l’œil, mais dans un certain rapport. Par exemple, un mélange pour les moteurs à essence est composé d’une part de carburant et de 14 à 15 parts d’air – en fonction du mode de fonctionnement, de la composition du carburant et d’autres facteurs.
Comme on le voit, il faut beaucoup d’air. Si nous augmentons la quantité de carburant (ce qui n’est pas un problème), nous devrons également augmenter considérablement la quantité d’air. Les moteurs conventionnels l’aspirent eux-mêmes en raison de la différence de pression dans le cylindre et dans l’atmosphère. La dépendance est directe : plus le volume du cylindre est grand, plus l’oxygène y pénètre à chaque cycle. C’est ce qu’ont fait les Américains, en produisant d’énormes moteurs dont la consommation de carburant est stupéfiante. Mais existe-t-il un moyen de pomper plus d’air dans le même volume ?
Il existe, et il a été inventé par M. Gottlieb Wilhelm Daimler. Ce nom vous est-il familier ? Bien sûr, il est utilisé dans le nom DaimlerChrysler. Cet Allemand était donc très doué pour les moteurs et, en 1885, il a inventé le moyen d’y injecter plus d’air. Il eut l’idée de pomper l’air dans les cylindres à l’aide d’un compresseur, c’est-à-dire un ventilateur (compresseur) qui recevait la rotation directement de l’arbre du moteur et qui pompait l’air comprimé dans les cylindres.
L’ingénieur et inventeur suisse Alfred J. Büchi est allé encore plus loin. Il était chargé du développement des moteurs diesel dans l’entreprise Sulzers Brothers, et il n’aimait pas du tout le fait que les moteurs soient gros et lourds, et qu’ils développent peu de puissance. Il ne voulait pas non plus que l’on retire de l’énergie au moteur pour faire tourner le compresseur d’entraînement. C’est pourquoi, en 1905, M. Büchi a breveté le premier dispositif de charge d’air au monde, qui utilisait l’énergie des gaz d’échappement comme source d’énergie. En d’autres termes, il a inventé la turbocompression.
L’idée du smart Swiss est aussi simple que géniale. Les gaz d’échappement font tourner une roue à aubes comme les vents font tourner les voiles du moulin. La seule différence est que la roue est très petite et qu’il y a beaucoup d’aubes. Une roue à aubes est appelée rotor de turbine et est montée sur le même arbre que la roue du compresseur. Par conséquent, le turbocompresseur peut être divisé en deux parties : un rotor et un compresseur. Le rotor reçoit la rotation des gaz d’échappement et le compresseur qui lui est relié pompe de l’air supplémentaire dans les cylindres, fonctionnant comme un « ventilateur ». Toute cette construction complexe est appelée turbocompresseur (des mots latins « turbo » – tourbillon et « compressio » – compression).
Dans un moteur turbocompressé, l’air qui pénètre dans les cylindres doit souvent être refroidi, puis sa pression peut être augmentée en pompant plus d’oxygène dans le cylindre. En effet, il est plus facile de comprimer de l’air froid (déjà dans le cylindre du moteur à combustion interne) que de l’air chaud.
L’air qui traverse la turbine est chauffé par la compression, ainsi que par les pièces de la turbocompression chauffées par les gaz d’échappement. L’air fourni au moteur est refroidi à l’aide d’un refroidisseur intermédiaire. Il s’agit d’un radiateur installé sur le trajet de l’air entre le compresseur et les cylindres du moteur. En le traversant, il cède sa chaleur à l’atmosphère. L’air frais est plus dense, ce qui permet de pomper encore plus d’air dans les cylindres.
Plus les gaz d’échappement pénètrent dans la turbine, plus celle-ci tourne rapidement et plus l’air supplémentaire pénètre dans les cylindres, plus la puissance est élevée. L’efficacité de cette solution par rapport, par exemple, à une suralimentation à entraînement réside dans le fait que très peu d’énergie du moteur, seulement 1,5 %, est dépensée pour l’« auto-entretien » de la charge. Le fait est que le rotor de la turbine reçoit de l’énergie des gaz d’échappement non pas par leur ralentissement, mais par leur refroidissement – après la turbine, les gaz d’échappement sont toujours rapides, mais plus froids. En outre, l’énergie gratuite dépensée pour la compression de l’air augmente le rendement du moteur. Et la possibilité d’obtenir plus de puissance à partir d’un volume de travail plus petit signifie moins de pertes par frottement, moins de poids pour le moteur (et pour la voiture dans son ensemble). Tout cela fait que les voitures turbocompressées consomment moins de carburant que leurs homologues atmosphériques de même puissance. On pourrait croire que c’est le bonheur. Mais non, ce n’est pas si simple. Les problèmes ne font que commencer.
D’une part, la vitesse de rotation de la turbine peut atteindre 200 000 tours par minute, et d’autre part, la température de l’incandescence atteint, essayez d’imaginer, 1000°C ! Qu’est-ce que tout cela signifie ? Il est très coûteux et difficile de fabriquer un turbocompresseur capable de résister longtemps à des charges aussi lourdes.
Pour ces raisons, le turbocompresseur ne s’est répandu qu’au cours de la Seconde Guerre mondiale, et uniquement dans l’aviation. Dans les années 50, la société américaine Caterpillar a réussi à l’adapter à ses tracteurs, et les maîtres de Cummins ont conçu les premiers turbodiesels pour leurs camions. Les moteurs turbo ont fait leur apparition sur les voitures particulières de série encore plus tard. Cela s’est produit en 1962, lorsque l’Oldsmobile Jetfire et la Chevrolet Corvair Monza ont été commercialisées presque simultanément.
Mais la complexité et le coût élevé de la conception ne sont pas les seuls inconvénients. Le fait est que l’efficacité de la turbine dépend fortement du régime du moteur. À bas régime, le volume des gaz d’échappement est faible, le rotor tourne mal et le compresseur n’envoie pratiquement pas d’air supplémentaire dans les cylindres. Il arrive donc que le moteur ne tourne pas du tout à moins de trois mille tours par minute, et ce n’est qu’après quatre ou cinq mille tours qu’il « tire ». Ce problème s’appelle le « lag » du turbocompresseur. En outre, plus la turbine est grande, plus elle met de temps à prendre de la vitesse. C’est pourquoi les moteurs ayant un rapport poids/puissance très élevé et des turbines à haute pression souffrent en général particulièrement du décalage du turbocompresseur. En revanche, les turbines qui génèrent une faible pression n’ont pratiquement pas de décalage, mais elles n’augmentent pas trop la puissance.
Un système de turbocompression séquentielle permet de se débarrasser presque totalement du décalage du turbocompresseur. À bas régime, un petit turbocompresseur à faible inertie fonctionne, augmentant la poussée au niveau des « bas », et le second, plus gros, se met en marche à haut régime avec une augmentation de la pression d’échappement. Au siècle dernier, un turbocompresseur séquentiel a été utilisé sur la Porsche 959, et aujourd’hui, par exemple, les turbodiesels de BMW et de Land Rover sont organisés selon ce schéma. Dans les moteurs à essence de Volkswagen, le rôle d’une petite « centrale » est joué par un surcompresseur d’entraînement.
Dans les moteurs droits, on utilise souvent un turbocompresseur à deux volutes (une paire de volutes) avec un double appareil de travail. Chacune des volutes est remplie de gaz d’échappement provenant de différents groupes de cylindres. Mais en même temps, les deux volutes alimentent en gaz une turbine, la faisant tourner à la fois à basse et à haute vitesse.
Mais il est encore plus courant de trouver une paire de turbocompresseurs identiques alimentant en parallèle des groupes de cylindres distincts. C’est le schéma typique des moteurs turbo en V, où chaque unité dispose de son propre compresseur. Le moteur V8 de M GmbH, qui a fait ses débuts sur les BMW X5 M et X6 M, est équipé d’un collecteur d’échappement transversal, qui permet au compresseur à deux volutes de recevoir les gaz d’échappement des cylindres de différents blocs fonctionnant en phase opposée.
Il est également possible d’améliorer l’efficacité du turbocompresseur dans toute la plage de vitesse en modifiant la géométrie de la partie active. En fonction du régime à l’intérieur de la volute, des pales spéciales tournent et la forme de la tuyère varie. Le résultat est une « super turbine » qui fonctionne bien sur toute la plage de vitesse. Ces idées étaient dans l’air depuis des décennies, mais leur mise en œuvre est relativement récente. D’ailleurs, les premières turbines à géométrie variable sont apparues sur les moteurs diesel, où la température des gaz est heureusement beaucoup plus basse. La Porsche 911 Turbo a été la première voiture à essence à essayer une telle turbine.
La conception des moteurs turbo a commencé il y a longtemps, et leur popularité a récemment augmenté de façon spectaculaire. En outre, les turbocompresseurs se sont révélés prometteurs non seulement en termes de puissance du moteur, mais aussi en termes d’augmentation de l’efficacité et de la pureté des gaz d’échappement. C’est particulièrement vrai pour les moteurs diesel. Aujourd’hui, presque tous les moteurs diesel sont équipés d’un préfixe turbo. Parallèlement, l’installation d’une turbine sur les moteurs à essence permet de transformer une voiture d’apparence ordinaire en un véritable « briquet ». Celle qui porte une petite plaque « turbo » à peine perceptible.
Il s’agit d’une traduction. Vous pouvez lire l’original ici : https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3303.html
Publié January 27, 2022 • 9m to read
