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 », permettant ainsi d'augmenter la puissance du moteur pour une même cylindrée.

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[modifier | modifier le code]

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[1].

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[2]. 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[3].

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 3 000~4 000 mètres, 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. En Formule 1 par exemple, elle a révolutionné la motorisation à partir de 1977 avec Renault et remporté de nombreux succès[4] avant d'être interdite en 1989. La saison 2014 du championnat voit son retour dans la discipline, avec un moteur V6 de 1 600 cm³ turbocompressé[5].

Au XXIe siècle, ce principe est largement répandu sur les moteurs Diesel modernes[6] et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence[7] 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 1980 (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 3,0 L (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[modifier | modifier le code]

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

Le rendement d'un moteur thermique est 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. Un moteur essence turbo est généralement conçu avec un rapport volumétrique inférieur à 10/1, mais certains blocs moteurs descendent même en dessous de 7/1 pour les blocs prévus pour des rendements supérieurs à 100 ch/litre et des pressions de suralimentation au delà de 1[bar de pression relative. Le rendement optimal pour un concepteur de moteur suralimenté serait d'obtenir un rapport volumétrique élevé avec une pression de suralimentation également élevée, pour éviter un maximum de pénaliser les régimes inférieurs à la charge positive du turbocompresseur, chose difficilement réalisable à cause des carburants actuels ainsi que du cliquetis, le seuil de ce dernier pouvant néanmoins être détecté et traité grâce aux avancées technologiques des calculateurs embarqués.

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 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 grandissantes font qu'on assiste de plus en plus à un phénomène de « down-sizing » dans la conception des moteurs automobiles par les grands constructeurs. Le principe vise à réduire les émissions polluantes et la consommation en diminuant la cylindrée des moteurs. Un moteur de faible cylindrée étant forcément moins puissant, on compense cette perte avec le turbocompresseur.

Avantages/Inconvénients[modifier | modifier le code]

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 ;
  • 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 turbo 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 avec les compresseurs mécaniques. En course automobile, dans les années 1980, certaines voitures ayant des moteurs de faible cylindrée avec des turbos très puissant 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. Cette pratique obligeait alors le pilote à freiner du pied gauche, du fait de devoir accélérer du pied droit.

Les deux derniers inconvénients précédemment cités sont quasi-résolus avec les turbocompresseurs modernes, dits « à géométrie variable », plus efficaces à bas régimes.

Applications particulières[modifier | modifier le code]

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 souvent 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, 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, la plage de couple étant répartie plus uniformément, mais ce système prend plus de place dans le compartiment moteur et nécessite un entretien sérieux pour rester fiable dans le temps. C'est ce montage dit "séquentiel" qui équipe la Mazda RX-7 FD3S. Il existe aussi un système bi-turbo plus classique, comme celui de la Nissan 300zx Z32 et son moteur V6 24s, sur lequel chaque turbo suralimente un banc de trois cylindres uniquement, les turbos étant montés de part et autre du V6. À noter que d'autres constructeurs, comme BMW, ont recours à ce principe mais en installant les turbos à l’intérieur du V.

Depuis de nombreuses années[Quand ?], certains turbocompresseurs sont dits « à géométrie variable ». Cette solution permet un comportement beaucoup plus linéaire du moteur et une réponse du turbocompresseur dès 1 500 tr/min au lieu d'une réponse souvent entre 3 000 et 4 000 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 de génération 997 font profiter de leur puissance dès la moindre sollicitation de l'accélérateur.

Précautions d'emploi[modifier | modifier le code]

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 1 000 °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 (on parle de « cokéfaction » de l'huile). 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. Pour pallier ce problème, il est bon de laisser le moteur tourner au ralenti, pendant environ une à trois minutes selon les modèles, avant de couper le contact, afin que la turbine interne voit 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, 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, ainsi que sur la Renault 21 2L Turbo ou plus récemment sur les véhicules équipés du moteur PSA/BMW d'1,6 L des petites sportives comme la Mini Cooper S, ou la Peugeot 207 RC.

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

Autre signification[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Un turbocompresseur peut atteindre une vitesse de rotation 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[8] dans une Smart Diesel.

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).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Martin (Joseph) & Wauters (Pierre), Installations thermiques motrices, Chapitre 5, les moteurs à combustion interne, p. 189., Presses Universitaires de Louvain, 2009. (ISBN 978-2-87463-161-0)
  2. (de) Brevet no DE204630A et no CH35259A, « Der Abgasturbolader » [PDF]
  3. Les Moteurs d'aviation Renault - Gérard Hartmann, HydroRétro.net, in Dossiers historiques et techniques, aviation française, 2009 [PDF]
  4. À leur apogée, en 1986, les blocs turbocompressés développent plus de 1 400 chevaux en spécification qualifications. Le règlement stipule alors que la cylindrée maximum peut être de 3 L pour les moteurs atmosphériques mais de 1,5 L pour les moteurs turbocompressés.
  5. Renault F1 : le V8 atmo est mort, vive le V6 turbo ! - Le Point, 26 février 2013
  6. JTD et JTDm pour le groupe Fiat, TDI pour le groupe Volkswagen, HDI pour Peugeot-Citroën, CRDI pour Kia, CDTI pour Opel, TDCI pour Ford, DTI puis DCI pour Renault-Nissan
  7. THP pour Peugeot-Citroën, TCE pour Renault-Nissan, TSI pour le groupe volkswagen et MultiAir pour le groupe Fiat
  8. Fonctionnement d'un turbo - Garret by Honeywell

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]