La technologie des moteurs Turbo – Part.2

La suralimentation des moteurs aircooled est un vaste sujet, il a été abordé de nombreuses fois dans les forums, mais ces discussions sont resté reste d’un niveau assez élevé et fermé. Voici en quelques lignes, et dans un souci didactique, les principes et les bases de fonctionnement d’un moteur turbocompressé ainsi qu’une rapide description des éléments constituant le turbo en lui-même […]

Photo: Carcraft Inc

Voici ce que peut donner un moteur turbo détaillé au maximum. Agréable à l’oeil et sous la pédale de droite!!
Dans un premier temps, attardons nous quelques instants sur le fonctionnement d’un moteur.
Les moteurs à combustion interne 4 temps fonctionnent suivant un cycle thermodynamique appelé cycle Beau-de-Rochas.
Premier temps: il admet du mélange combustible-comburant, dans le cas des automobiles le combustible est dérivé du pétrole, le comburant est l’oxygène contenu dans l’air: 1° descente du piston.
Deuxième temps: le mélange admis dans la chambre de combustion est compressé: remontée du piston.
Troisième temps: suite à une explosion (commandée dans le cas d’un véhicule à essence, spontannée dans le cas d’un diesel) le mélange se détend: 2° descente du piston.
Quatrième temps: le piston remonte et chasse les gaz brulés de la chambre de combustion.
Ce cycle est en théorie très simple, mais sa mise en oeuvre reste complexe.
Comme vous avez pu le constater la quantité de mélange admis est fonction de la cylindrée. Donc comme sans dispositif supplémentaire il est difficile de d’admettre plus de volume de mélange dans le cylindre que sa contenance “physique”.
Et même en réalité, si votre cylindre “cube” 396 cc (soit un moteur de 1584 cc), il n’admettra par cycle qu’environ 280 cc de mélange. Cette perte est appelée efficacité volumétrique et provient d’une multitude de facteurs.
Efficacité volumétrique = Volume de mélange admis par cycle moteur / Cylindrée du moteur
Efficacité volumétrique = Volume de mélange admis par cycle moteur pour 1 Cylindre / Cylindrée unitaire
Afin d’obtenir plus de puissance, il faut donc “faire exploser” plus de mélange: la solution la plus simple consiste à augmenter la cylindrée du moteur.
La seconde, il faut augmenter cette efficacité volumétrique: on peut le faire à certain régime par un accord à l’admission, ou alors entreprendre le raisonnement suivant.
Le calcul précédent ne se base que sur les volumes or en réalité la quantité de gaz admis ne se mesure pas par le volume mais par la masse admise.
La masse d’un gaz (masse du mélange) contenue dans un volume donné est proportionnelle à la pression et inversement proportionnelle à la température.
On peut écrire la relation suivante:
Masse de gaz
= Constante x Volume x Pression / Température
Donc le rapport à considérer comme Efficacité de remplissage ou Taux de remplissage est:
Efficacité du remplissage = Masse de mélange admis par cycle moteur / Masse d’air équivalente contenue dans la cylindrée du moteur aux conditions extérieures de pression et température
Remarque: les conditions extérieure de température et de pression sont la température extérieure et la pression atmosphérique
Donc si à température de mélange constante, la pression de celui ci est augmentée, on améliorera l’efficacité du remplissage du moteur: la masse augmente et la quantité admise est supérieure.
En admettant plus de masse de mélange, l’énergie créée lors de chaque explosion est supérieure. Cette énergie est appliquée au piston sous la forme de pression et est transformé par le système bielle vilebrequin en couple.

Voici donc le but d’un moteur compressé: créer du couple et non de la puissance.
Remarque: la puissance d’un moteur n’est que le résultat du couple disponible sur le vilebrequin et du régime auquel il est réalisé.
Regardons maintenant le turbo-compresseur dans son environnement afin de mieux appréhender son fonctionnement:
Schéma: Garret, traduction C.Anthoine
Afin d’augmenter la pression de l’air ou du mélange admis, il faut lui apporter de l’énergie: elle est fournie par le mouvement de rotation du compresseur. Ce dernier est monté sur le même axe que la turbine. C’est elle qui lui fournit la rotation, aux environs de 100 000 tr/min.
Cette rotation de la turbine est la transformation en énergie mécanique de l’énergie contenue dans les gaz brûlés expulsés par le moteur (voir le schéma ci dessous).
Schéma issus de chez Garret, traduction C.Anthoine
Sur le premier schéma, vous pouvez distinguer un échangeur, appelé aussi “intercooler”. Cet élément à pour fonction de baisser la température de l’air compressé, ceci afin d’augmenter la masse de mélange admis par le moteur et de diminuer des phénomènes tel que le cliquetis.
Voilà de manière simple le fonctionnement du moteur turbocompressé et du turbocompresseur.

Explorons maintenant physiquement un turbocompresseur:
L’extérieur:
L’intérieur
Schéma: Garret, traduction C.Anthoine
Un autre T3 avec une waste gate dont la commande n’est pas celle monté de série:
Pour être plus proche de la réalité voici quelques clichés de chaque partie:
La turbine avec sa volute
L’arrivée des gaz d’échappement La sortie des gaz d’échappement
Vous remarquerez la difference entre la volute
La volute classique La version “performance”
Le “secret”: cette plaque encerclé en rouge qui permet de dévier le flux de gaz d’échappement passant par la waste-gate afin que celui-ci nbe perturbe pas celui de la turbine… Mais ne nous attardons pas trop sur cette particularité qui sera expliqué plus longuement dans le futur.
Afin d’obtenir la volute la plus lisse possible, certains modèle de turbo n’incorpore même pas d’emplacement pour la waste-gate, par exemple le T04 de la photo suivante:
Dans le cas de l’utilisation de ce type de turbo, il faudra adapter une waste-gate externe comme sur ce moteur:
Le compresseur avec sa volute
L’arrivée des gaz d’échappement La sortie des gaz d’échappement
La waste gate
Une waste-gate en aluminium La waste-gate “classique”

Ces deux modèles sont intégrés à la volute de la turbine.

Une Waste Gate externe surmontée d’un “robinet” permettant de modifier la pression de suralimentation
J’espère que ces quelques lignes et quelques photos vous auront fait découvrir plus en détail:
“l’univers du turbo”
Voici donc quelques bases, vous trouverez dans quelques jours une série d’articles consacrée à la suralimentation des Flat4 Aircooled dans la rubrique préparation. Si la théorie prend une part importante mais est nécessaire à la bonne compréhension, la pratique ne sera pas oubliée pour autant …
Dossier préparé par Christophe Anthoine