Turbocompresseur

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Un turbocompresseur (dit turbo , en langage courant) est l'un des trois principaux systèmes connus de suralimentation généralement employés sur les moteurs à combustion et explosion (essence ou diesel), destinés à augmenter la puissance finale obtenue (Les deux autres étant le compresseur volumétrique et l'injection gazeuse).

Le principe est d'augmenter la pression des gaz admis, permettant un meilleur remplissage des cylindres en mélange "air/carburant", ceci permettant d'augmenter la puissance du moteur.

Ce type de compresseur est entraîné par une turbine (d'où son nom) animée par la vitesse des gaz d'échappement, qui cèdent une partie de leur énergie cinétique pour faire tourner la turbine, sans consommer de puissance sur l'arbre moteur.

Turbocompresseur sur un moteur de poids lourd (Renault Magnum)

Histoire

Le principe de la suralimentation des moteurs à explosion a été proposé dès les premiers développements de ces moteurs. Louis Renault dépose en 1902 un brevet sur le principe de suralimentation par ventilateur ou compresseur, qu'il utilise en compétition, mais qui n'est pas encore défini comme un turbocompresseur.

Le 13 novembre 1905 le brevet du principe du turbocompresseur est concédé à l’ingénieur suisse Alfred Büchi, par la Deutsches Reischspatent (DRP), et le 16 novembre 1905 un autre pour son application au moteur à explosion. Il s'agissait d'un compresseur centrifuge entraîné cette fois par les gaz d'échappement. Une des premières applications a été l'adaptation par l’ingénieur Auguste Rateau du turbocompresseur sur le moteur Renault 12 Fe, un V12 de 320 ch équipant l'avion de reconnaissance Breguet XIV A2 pendant la guerre de 1914-1918.

On a assisté à un gros développement du turbocompresseur lors de la seconde guerre mondiale, où le "turbo" a été vital pour permettre à des avions dotés de moteurs à piston de voler à haute altitude. En effet, l'air devenant plus rare à partir de 3000~4 000 m, un simple moteur atmosphérique perd de la puissance et "cale" s'il n'est pas doté d'une admission forcée.

La technique de suralimentation est très souvent appliquée aux moteurs des automobiles de course. Elle est, en revanche, interdite dans certaines disciplines comme la Formule 1, après y avoir fait la loi pendant quelques années.

Au XXI^e siècle, ce principe est largement répandu sur les moteurs Diesel modernes et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence du fait des risque d’auto-allumage lorsque la pression du mélange air-essence augmente.

Outre le phénomène de mode lancé principalement par Renault dans les années '80 (R5 Turbo, Alpine turbo, R5 GT Turbo...), une autre apparition prouvera que le turbo ne sert pas qu'à "gonfler des petites voitures légères à moindre coût", en effet, l'arrivée de la tonitruante Porsche 911 Turbo 3.0l (type 930) lancera à son tour toute une génération de passionnés de voitures de grand tourisme (GT), cette dernière étant quasiment sans rivale au moment de sa sortie, grâce à ses performances impressionnantes pour l'époque.

Ce type de compresseur récupère une partie de l’énergie cinétique et de l'énergie thermique contenues dans les gaz d'échappement, donc de l'enthalpie de ces gaz.

Fonctionnement

Turbocompresseur en coupe, avec illustration des différentes parties et températures par couleurs

Le rendement d'un moteur thermique est en fonction de son rapport volumétrique ; le taux de compression à l'intérieur du cylindre. Plus le rapport volumétrique est élevé, meilleur est le rendement. Et ce avec pour limite le phénomène d'auto-allumage (ou de cliquetis), qui, au-delà d'une certaine pression, entraîne une chute des rendements.

Une turbine placée dans le flux des gaz d’échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse (partie rouge sur la photo), elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur (partie bleue). 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, pour les trois raisons suivantes :

1. la compression échauffe les gaz, et la température de ces gaz est aussi l'un des principaux facteurs entraînant l'auto-allumage.
2. un gaz chaud étant moins dense qu'un gaz froid, il contient moins de molécules d'oxygène à un volume identique. On pourra donc brûler moins de carburant et les gains liés au turbo seront moindres.
3. le rendement d'un moteur dépend en partie de la température de l'air entrant et celle des gaz d'échappement. Plus la différence entre ces températures sera élevée, meilleures seront les performances du moteur. Une augmentation de la température d'admission dégrade donc le rendement moteur.

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 air/carburant. La puissance du moteur s'accroît tout en diminuant sa consommation. On obtient ainsi la même puissance qu'un moteur de cylindrée supérieure, tout en réduisant les pertes mécaniques liées aux grandes cylindrées.

Les considérations écologiques actuelles grandissantes font qu'on assiste actuellement de plus en plus à un phénomène de "down-sizing" au niveau de la conception des moteurs de nos automobiles par les grands constructeurs. Cette idée consiste à réduire les émissions polluantes en diminuant la taille et la cylindrée des moteurs fabriqués (d'où le terme "down-sizing"). Un moteur de faible cylindrée étant forcément moins puissant, on voit apparaître un intérêt grandissant à inclure de plus en plus de turbocompresseurs dans les moteurs des autos récentes, afin de pallier ce manque de puissance initialement causé.

Avantages/Inconvénients

La Honda CX 500 turbo, une des seules moto à turbocompresseur commercialisées.

Avantages :

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

• Un turbocompresseur se montre très à l'aise dans les hauts régimes du moteur, là où l'efficacité d'un compresseur mécanique se dégrade sensiblement.

• De plus, 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.

Inconvénients :

• L'énergie utilisée par le turbocompresseur n'est pas totalement gratuite, car il gêne le passage des gaz d'échappement.

• Un turbocompresseur classique n'est efficace qu'au-delà d'un certain régime moteur, contrairement au compresseur mécanique dont l'efficacité commence dès les plus bas régimes.

• Lors d'un coup d'accélérateur, le turbocompresseur peut manifester un certain « temps de réponse », laps de temps où la quantité de gaz d'échappement ne suffit pas encore à faire tourner la turbine du turbocompresseur au régime idéal. En jargon automobile, on parle fréquemment de "lag". Cet inconvénient est absent des compresseurs mécaniques.

En course automobile, dans les années 1980, certaines voitures ayant des moteurs de faible cylindrée avec des turbos énormes possédaient un lag tellement important qu'il n'était pas rare que le pilote appuie déjà sur l'accélérateur avant-même d'avoir commencé à rentrer son virage, afin que le turbo ait eu le temps de se lancer durant le passage de la courbe. Souvent, il était obligé de freiner du pied gauche... le droit étant occupé à essayer de relancer la machine...

(Les deux derniers inconvénients précédemment cités sont quasi-résolus avec les turbocompresseurs modernes, dit à géométrie variable, qui soufflent dès les plus bas régimes.)

Applications particulières

Le principal problème d'un turbocompresseur étant son -relativement- long temps de mise en action, dû à l'inertie de sa roue de turbine, il existe beaucoup de voitures sportives dotées de moteurs "bi-turbo", équipées d'un turbocompresseur plus petit pour charger l'admission dans les bas régimes, ensuite relayé par le plus gros pour remplir les cylindres, une fois le moteur dans les tours.

La Toyota Supra Mk IV en est un bon exemple.

L'avantage de ce type de montage est la quasi absence de temps de réponse, et l'absence d'à-coups sur la transmission causés par la mise en pression d'un seul gros turbocompresseur, étant assez long à se lancer du fait de son inertie importante.

Au rayon des inconvénients, on peut préciser que ce système prend pas mal de place dans un capot moteur, et qu'il nécessite un entretien poussé pour rester fiable dans le temps.

Depuis de nombreuses années, certains turbocompresseurs sont dits "à géométrie variable". Cette solution permet un comportement beaucoup plus linéaire du moteur et une réponse du turbocompresseur dès 1500 tr/min au lieu d'une réponse souvent entre 3000 et 4000 tr/min sur les turbocompresseurs classiques. Par exemple, la Peugeot 205 Turbo 16 de série ou la Ferrari F40 sont des voitures réputées pour être "creuses" à bas régime avec toute la puissance apparaissant très brutalement, passé un certain régime moteur. À l'inverse, les dernières Porsche 911 Turbo (type 997) font profiter de leur puissance dès la moindre sollicitation de l'accélérateur.

Précautions d'emploi

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

Afin de préserver cet élément de l'usure et le refroidir, le turbocompresseur partage avec le moteur le même système de lubrification par huile. Cette caractéristique a pour inconvénient de stopper la lubrification du turbocompresseur lors de l'arrêt du moteur, car la pompe à huile n'est plus entraînée, ce qui à la longue va endommager le dispositif. En effet, l'huile alors présente entre l'axe et le palier de turbine se met à chauffer de manière excessive, car la température dans la turbine peut s'élever à 1000 °C, voire plus. Il se crée alors un résidu néfaste, composé de corps solides très abrasifs qui vont produire un jeu excessif à la longue. De plus la turbine, encore entraînée par son inertie, n'est plus ni lubrifiée ni refroidie, et peut alors casser du fait de contraintes thermiques et mécaniques trop importantes. Cela concerne n'importe quel turbocompresseur, car ils fonctionnent tous selon ces mêmes principes de base.

Certains modèles possèdent toutefois la particularité de faire reposer leur axe sur des roulements à billes, ceci permettant une plus grande fiabilité dans le temps.

Par conséquent, il est conseillé de laisser le moteur tourner au ralenti pendant environ une à trois minutes^{[réf. à confirmer]} avant de couper le contact, afin que la turbine interne voie sa vitesse de rotation chuter. La lubrification du moteur, donc du turbocompresseur, continue de s'effectuer et de dissiper la chaleur du système. Un autre moyen de faire refroidir le mécanisme est, si le trajet le permet, de rouler doucement à régime modéré durant quelques kilomètres. Cette préconisation est aussi conseillée plus généralement pour les moteurs, même atmosphériques, ou pour les freins s'ils viennent d'être fortement sollicités. Si cette procédure, si souvent oubliée par le néophyte, ne peut parfois pas être réalisée, ne serait-ce qu'à cause du temps requis pour sa mise en œuvre, un équipement de seconde monte peut être installé par un spécialiste en accessoires automobiles : un turbo timer (en), qui aura pour charge de stopper le moteur une fois le turbo convenablement refroidi seulement, même si le contact est coupé à la clef.

Certains constructeurs automobiles, dont BMW ou PSA, équipent leurs moteurs d'un système permettant à une pompe à eau électrique de fonctionner, même après l'extinction du moteur. Celle-ci est présente notamment sur la Peugeot 405 T16 (version série) dès 1992, ou plus récemment sur les véhicules équipés du moteur 1.6L PSA/BMW des petites sportives comme la Mini Cooper S, ou la Peugeot 207 RC.

Autre signification

Un turbocompresseur est un compresseur, centrifuge ou axial, entraîné par une turbine alimentée soit par de la vapeur (turbine vapeur), soit par un autre gaz (turbine à gaz), ou soit par la détente d'un gaz (turbine de détente).

Vitesse du turbocompresseur

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Un turbocompresseur peut atteindre une vitesse rotative d'environ 250 000 tr/min, mais son régime moyen se situe entre 100 000 et 200 000 tr/min. À l'heure actuelle, la plus grande vitesse atteinte est de 287 000 tr/min dans une Smart diesel (Informations Garrett).

L'accélération centrifuge encaissée par les pales des deux roues à ailettes du turbo frôle les 100 000 g. On imagine aisément les contraintes importantes liées à la fabrication de ces deux éléments, dont l'usinage et l'équilibrage doivent être les plus proches possible de la perfection (Un déséquilibre de quelques micro-grammes devient vite catastrophique à ces vitesses extrêmes!).

Articles connexes

• Moteur à combustion interne
• Compresseur mécanique
• Honeywell
• Suralimentation