Turbocompresseur

Un turbocompresseur est un organe annexe d'un moteur à combustion interne à allumage commandé ou par compression (Diesel), conçu pour augmenter la pression des gaz admis, donnant la possibilité un meilleur remplissage des cylindres en air. Ce type de compresseur est entraîné par une turbine positionnée dans les gaz d'échappement, qui cèdent ainsi une partie de leur énergie cinétique, sans consommer de couple sur l'arbre moteur.

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 au cours de la Guerre 1914-1918 par l'ingénieur Auguste Rateau.

Cette technique de suralimentation est fréquemment appliquée aux moteurs des automobiles de course. Elle est , par contre, interdite dans certaines disciplines (Formule 1), après y avoir fait la loi pendant quelques années.

Ce principe est à ce jour, beaucoup répandu sur les moteurs Diesel modernes (CRDI, TDI, TDCI, HDI, DCI, DTI…) et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence.

Ce type de compresseur récupère une partie de l'énergie cinétique et de l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement, par conséquent de l'enthalpie de ces gaz.

Fonctionnement

Une turbine positionnée dans le flux des gaz d'échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse, elle est reliée par un arbre à un compresseur positionné 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 peut-être 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 de perfectionner le remplissage de ces derniers, qui sinon se remplissent par dépression, et permet par conséquent d'augmenter énormément la quantité du mélange air/carburant par conséquent la puissance du moteur.

Avantages et inconvénients

D'un point de vue mécanique, le turbocompresseur est un organe délicat.

• Il fonctionne à des vitesses de rotation particulièrement élevées (typiquement 180 000 tr/min et meme jusqu'à 220 000 tr/min pour certains turbocompresseur actuel, le plus fréquemment sa vitesse de rotation se situe autour des 180 000 tr/min pour des véhicules plus ancien s ex.  : ZX, R19…).
  • Cette vitesse doit être impérativement maîtrisée (en effet, si la vitesse de l'extrémité des pales de turbine atteint une valeur supersonique, ou même uniquement transsonique, le turbo est détruit !).
• Il subit 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 spécifiques pour sa fabrication, d'où le prix élevé d'un turbo.
• La lubrification des paliers de l'arbre supportant les deux turbines du turbo est aussi un problème essentiel. Elle assure un fonctionnement normal des paliers, en formant un film d'huile entre les parties en mouvement, mais également participe au refroidissement intensif des paliers.
• Le taux de compression doit être adapté de manière à ce que les pressions de compression (Pc) et de combustion (Pz) n'excèdent pas les limites acceptables. Pour les moteurs à essence, la limitation de Pc est indispensable 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, surtout de la culasse.

• L'abaissement du taux de compression géométrique combiné à la non-linéarité de la pression apportée par les turbocompresseurs classiques impose de choisir entre un moteur à fort taux de compression géométrique et faible pression de suralimentation (moteur souple mais peu puissant) et un moteur à faible taux de compression géométrique et forte pression de suralimentation (moteur puissant mais particulièrement creux à bas régime). C'est une des raisons pour lesquelles les turbocompresseurs n'ont jamais percé en motocyclette.

Actuellement, ce problème a été résolu par les turbocompresseurs à géométrie variable, qui délivrent une pression de suralimentation assez constante.

Avantages

Un turbocompresseur est plus compact, plus léger, et plus facile à installer qu'un compresseur classique entraîné par l'arbre de sortie moteur.

Qui plus est , il exploite l'énergie cinétique des gaz d'échappements (vouée à être dissipée) pour comprimer les gaz d'admission, au lieu de prélever une part de l'énergie du moteur comme le fait un compresseur mécanique.

Précautions d'emploi

Un turbocompresseur est soumis à essentiellement deux contraintes : la friction de l'axe de turbine, et la température des gaz d'échappement.

Pour préserver de l'usure cet élément et le refroidir, le turbocompresseur partage avec le moteur le même dispositif de lubrification par huile : problème : lors de l'arrêt du moteur, la pompe à huile n'est plus entrainée et le turbocompresseur n'est plus lubrifié. Outre le fait que l'huile dans ce cas présente entre l'axe et le palier de turbine va brûler (température pouvant dans ce cas s'élever à 1000°C ou alors plus), créant un résidu néfaste car composé de corps solides particulièrement abrasifs qui vont créer un jeu excessif à la longue, la turbine, toujours entrainée par son inertie n'est plus ni lubrifiée ni refroidie et peut dans ce cas casser du fait de contraintes thermiques et mécaniques trop importantes, et ce, sur n'importe quel turbocompresseur, car fonctionnant tous selon ces mêmes principes de base.

Donc, il est conseillé soit de faire fonctionner le moteur au ralenti pendant à peu près une à trois minutes pour que la turbine interne voit sa vitesse de rotation chuter, pendant que la lubrification du moteur et par conséquent du turbocompresseur, elle , continue de s'effectuer et de dissiper la chaleur du dispositif; si cette procédure, si fréquemment oubliée du néophyte, ne peut être réalisée, ne serait-ce que par le temps requis pour sa mise en œuvre, un équipement de seconde monte peut être installé par un spécialiste en accessoire automobiles : un turbo timer qui aura pour charge de stopper le moteur quand le turbo sera convenablement refroidi même si le contact est coupé à la clé.

Autre signification

Un turbocompresseur est un compresseur (centrifuge, ou axial) entraîné par une turbine alimentée soit par de la vapeur (Turbine vapeur) soit par du gaz (Turbine gaz) ou soit par la detente de gaz (turbine de détente),

Voir aussi

• Moteur à explosion
• Compresseur mécanique

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/03/2009.
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