La technologie des moteurs Turbo – Part.3

Après la petite mise en pression des neurones avec les deux premières parties qui vous ont présenté les bases de la lecture du diagramme et la technologie d’un turbo-compresseur, je vous invite à vous plonger plus en avant dans la recherche du turbo idéal.

Celui-ci doit commencer à suralimenter votre flat 4 aircooled dés 1500 tr/min et le gaver jusqu’à 8000 à 3 bars de suralimentation … Après avoir ingurgité ce dossier somme tout un peu théorique, vous réussirez à satisfaire les conditions optimales et vous serez au top […]

Lequel de ces turbos aller vous choisir, celui de gauche: le classique T03 ou celui de droite un Garret série T ?

Pour finir cette courte introduction, voyons les paramètres que vous devez calculer afin de déterminer les points de fonctionnement de votre moteur turbocompressé. Il faut rechercher le rapport de pression ou appelé aussi ratio de pression entre la sortie et l’entrée du turbo, c’est l’échelle de l’axe vertical des diagrammes caractérisant le fonctionnement du compresseur. Le second paramètre correspond à la masse d’air transitant par le turbo.
Comment choisir entre ces 2 turbos compresseurs: à gauche un GT 20, dernière génération de chez Garrett, à droite un T04 B V1/V2.
Le plus simple dans un premier temps est de déterminer le ratio de pression Psortie/Pentrée du turbo:
Avant tout il faut connaître la pression atmosphérique: on considère qu’elle est de 1 bar.:

Patm

=

1
Pour cela il vous faut connaître la pression à l’entrée de la roue de compresseur. 2 cas se présentent: système aspiré ou soufflé.Pour un système soufflé où le filtre est directement monté à l’entrée du turbo on considère que la perte est de 0,05 bars donc:
Pentrée
=
Patm 0,05
Dans le cas d’un système aspiré ou un carburateur est placé en amont du turbo, la pression d’entrée va dépendre énormément de la position du papillon: ouvert, fermé, à demi-ouvert…
Pentrée
=
Patm dPsortie de carburateur
La pression en sortie de carburateur est un élément assez difficilement évaluable. On ne peut que donner quelques valeurs moyennes correspondant à des fonctionnements et des positions du papillon: lorsque celui-ci est fermé, le moteur est au ralenti ou alors lors d’une décélération; papillon ouvert complètement: accélération franche ou pleine charge; papillon partiellement: à moitié ou au 2/3.
Papillon fermé au ralenti dPsortie de carburateur
=

environ 0,15 bar
Papillon ouvert dPsortie de carburateur
=

jusqu’à 0,5 bar
Papillon partiellement ouvert dPsortie de carburateur
=

environ 0,3 bar

Remarque:
Les valeurs ne sont qu’à titre indicatif. elle peuvent varier d’un moteur et surtout d’une admission à l’autre. Elles ne présentés qu’a titre d’information afin de vous permettre de vous rendre compte du problème engendré par la config aspirée: les turbois doivent être adaptés à des ration de pression beaucoup plus important qu’en version soufflé pour une même pression de suralimentation.
Vous remarquerez que la valeur indiqué pour le papillon fermé est valable pour le ralenti. Si vous levez le pied brusquement alors que vous roulez, le papillon se referme certe mais comme le compresseur “aspire” toujours de l’air: la valeur de DPsortie est alors supérieure et peut atteindre des valeurs de 0,6 à 0,7 bars. C’est un des “danger” des systèmes aspirés pour un usage routier.
Pour une utilisation purement “run/accélération”, je vous conseille de réaliser le calcul en ne tenant compte que de la position ouvert. Pour une utilisation route/run ou route, le point de fonctionnement primordial du système ne sera plus ouvert mais papillon au 2/3 d’ouverture correspondant à une vitesse stabilisée sur route/autoroute, le fonctionnement avec papillon ouvert à fond reste bien entendu un élément de calcul.
Quelle est la pression à la sortie du compresseur?
Dans le cadre d’un système sans échangeur on admet que la pression en sortie de compresseur est la même que la pression de suralimentation désirée, en négligeant les pertes de pression dans la pipe d’admission.
Psortie compresseur

=
Psural
Si par contre vous placez un échangeur entre le turbo et les culasses, celui ci va générer une perte de pression. Par exemple si vous voulez 1 bar de sural et que votre échangeur crée une perte de 0,1 bars alors il faudra en sortie de compresseur 1 + 0,1 = 1,1 bars
Psortie compresseur

=
Psural
+
Perte de pression de l’échangeur
Remarque: je ne traiterai pas des pertes de pression dans un échangeur pour l’instant, pour ceux que les calculs intéressent vous trouverez sur le web les formules concernant ces éléments. Si votre échangeur est bien dimensionné par rapport à la quantité d’air à refroidir, les pertes sont en général estimées à 0,1 bar.
Maintenant vous pouvez déterminer le ration de pression:
Ratio de pression

=
Psortie compresseur + 1 atm
/
Pentrée
Quelques remarques concernant ce calcul: vous pouvez remarquer que la plupart des turbos possèdent une plage d’utilisation n’excedent pas un ration d’environ 3,5. Dans le cas le plus favorable, en configuration soufflée, avec pression d’entrée de 1-0,05 = 0,95 bars la pression de sural ne sera que de 0,95 x 3,5 = 2,85 bars. Ceci est une valeur limite.
Le rendement d’un turbo est défini par la zone ou pic d’efficacité.
En rouge les zones d’efficacité maximales pour un GT 20 et un T03.
Pour une utilisation route/run il est mieux de privilégier un fonctionnement dans cette zone. Si vous passez en revue les maps à votre disposition, vous constaterez que cette zone correspond en général à un ratio moyen: 2 à 2,5.

Voici donc le premier calcul vous permettant de déterminer l’utilisation possible d’un modèle de turbo.
Le second paramètre, comme expliqué lors de l’introduction, est la masse d’air corrigée transitant par le turbo. Ce calcul est plus complexe mais si vous suivez les étapes proposés, vous serez à même de déterminer ce paramètre.
Il vous faut maintenant déterminer le volume d’air nécessaire au fonctionnement du moteur à un régime donné, une pression de suralimentation donnée.
Pour déterminer ces paramètres, il vous faut connaître la cylindrée:

2
Cylindrée
=
Alésage x Pi x Course / 1000
Pi = 3,1415926535897932384626433832795
Remarque: cette formule est valable pour un 4 cylindres. Alésage et course en millimètres, la cylindrée est calculée en cm3:

Calculons maintenant le volume d’air théorique aspiré
en litres/minute par le moteur à un régime donné exprimé en tr/min, la cylindrée est en cm3:

Volume d’air aspiré théorique

=

Cylindrée
x
Régime

/

2000
Remarque: cette formule est valable pour un 4 temps. Pourquoi diviser par 2000: on divise par 1000 afin d’obtenir de passer des cm3 aux litres, et par 2 car sur un quatre temps le moteur n’admet l’air que tous les 2 tours du vilebrequin.
Le dernier calcul concernant ce volume d’air aspiré est la correction due à l’efficacité volumétrique “en phase atmosphérique” du moteur, communement appelé “efficaité volumétrique” exprimé en %.

Volume d’air aspiré

=

Volume d’air aspiré théorique

x

Efficacité volumétrique
Remarque: si un moteur a une efficacité volumétrique de 70% alors pour le calcul il faut utiliser efficacité volumétrique = 70/100 = 0,7.
L’efficacité volumétrique à utiliser est celle du moteur en phase non suralimenté.
La question que tout le monde va poser: quel est le taux de remplissage de mon moteur?
Voici quelques valeurs couramment admises concernant l’efficacité volumétrique des moteurs atmosphérique 4 temps à pistons alternatifs (architecture caractérisant les 4 cylindres Volkwagen aircooled).
Moteur avec système d’admission peu préparé: Efficacité volumétrique: 70%
Moteur avec système d’admission préparé: Efficacité volumétrique: 80%
Moteur préparé “aux petits oignons”: Efficacité volumétrique: jusqu’à 100% et même plus…
Remarque: ces efficacités volumétrique sont données pour le régime de puissance et à titre indicatif.
Arrivé à ce point il faut effectuer la conversion vers les unités anglaises car les “maps” proposées par les constructeurs, en exemple celle d’un Garrett GT20 sont exprimés en lbs/min:

Volume d’air aspiré en cuft/min
= Volume d’air aspiré en litres/min x 1000 / ( 1728 x 16,387064 )
Il faut maintenant calculer la masse d’air correspondant à ce volume aspiré:
Elle est donné par l’équation des gaz parfait: P.V = n.R.T où P est la pression d’un gaz, V le volume occuppé par le gaz , n est le nombre de moles de gaz: une quantité qui est proportionnelle à la masse , T la température absolue et R une constante. Ne vous inquiétez pas je ne vais pas vous faire tout un cours de thermodynamique mais simplement ce point est à préciser car il montre l’influence de la température des gaz d’admission sur leur densité (ou masse volumique:= n / V = P / RT).
Avant toute chose il faut donc la température de l’air d’admission à l’arrivée dans les culasses, on l’appellera Tair admission.
Comment calculer cette température: suivons le parcours de l’air admis par le moteur depuis le filtre à air: en simplifiant, il entre dans le compresseur à une température proche de celle de l’air ambient appelée Textérieure en ressort échauffé à Tsortie compresseur passe par un échangeur où il subit une perte de température et en ressort à Tsortie échangeur et peu ensuite être refroidi encore par une injection de NOx et/ou d’eau pour enfin arriver aux culasses.
Pour les calculs: le rapport entre Textérieure et Tsortie compresseur est défini par:

Tsortie compresseur

=

Textérieure

+

(
1
+
Textérieure
x
Ratio de pression
^ 0,263 ) / efficacité du compresseur
Remarque: le signe ^ est utilisé pour la fonction puissance.
Remarque: c’est une formule complexe mais comme ce n’est pas encore assez difficile, les températures doivent être les températures absolues exprimées en Kelvin:
T en Kelvin
= T en Celsius + 273
et inversement
T en Celsius
= T en Kelvin 273
Le calcul du refroidissement du à un échangeur est plus simple surtout si vous ne voulez pas en utiliser un…
Echangeur air-air Echanger air-eau
Pour ceux qui en veulent toujours plus, voici rapidement le calcul à faire: les puristes de la thermodynamique vont hurler car il est très simplifié. Il tient compte de l’efficacité de l’échangeur: efficacité échangeur, de la température de l’air admis à l’entrée de l’échangeur Tentrée échangeur, de celle à la sortie Tsortie échangeur de la température de refroidissement appelée Trefroidissement: air extérieur dans le cas d’un échangeur air-air, température de l’eau ou de la glace dans le cas d’un air-eau:

Tsortie échangeur

=

Tentrée échangeur


efficacité échangeur

x

(

Tentrée échangeur

Trefroidissement )
Remarque: le calcul peut-être fait soit avec les températures en Celsius soit avec les températures absolues en Kelvin.
Dans le cas où seul le turbo ne vous satisfairait pas d’un point de vue puissance et où le trip NOx vous fait rêver, il faut tenir compte de cet élément dans le choix de votre turbo. En effet, l’injection de protoxyde d’azote dans les conduits d’admission crée une baisse significative, appelée dans les calculs Trefroidissement NOx de la température de l’air admis: on détend un gaz compressé donc la température chute.
De combien? à l’heure de la rédaction de cet article je n’ai plus de données précises relevées sur un moteur mais il est souvent adsmis que la chute de température peut atteindre 50°C.

Tair admission

=

Tsortie échangeur


Trefroidissement NOx
Remarque: arrivé à ce point vous en avez terminé pour les calculs de températures de l’air admis. Comme vous avez pu le constater, bien des paramètres entre en ligne de compte. Et tenir compte d’évolution possible de son moteur comme l’ajout d’un NOx ou d’un échangeur est important car ces éléments modifient énormement la température de l’air admis et donc la masse d’air admise par le compresseur, et donc comme vous le verrez par la suite sur le choix que vous ferez.
Je n’ai pas traité de l’injection d’eau car c’est un sujet aussi vaste que celui de la suralimentation.
Retournons maintenant au dimensionnement du turbo et au calcul de la masse d’air aspirée:

Masse d’air aspirée en lbs/min

=

Volume d’air aspiré en cuft/min

x

(

1

+

Psural

)

x

14,7x

29

/

(

10,73

x

Tair admission en Kelvin

x

1,8

)
Remarque: la masse d’air aspiré ainsi calculée peut être aussi bien celle théorique ou alors celle tenant compte de la correction due au remplissage.
Dernière étape du calcul: la correction de cette masse d’air suivant les indications fournies par Garrett afin d’obtenir la Masse d’air corrigée :
Ce calcul prend pour élément de base la masse d’air aspirée, la température extérieure, la pression à l’entrée du compresseur et le nombre de turbo: Nturbo que vous envisagez d’installer.
_
__________
__ ____
_
______ __

V

(

Textérieure
x 1,8 / 545 )

Masse d’air corrigée en lbs/min
=
Masse d’air aspirée en lbs/min
x __ _ __________ __ ____ _ ______ __ ___ _______

(
Pentrée x
14,7
/
13,949
) x Nturbo

Voilà vous avez déterminé le second paramètre correspondant au débit d’air transitant par le turbocompresseur.
Il ne vous reste plus qu’à calculer les coordonnées des points Ratio de pression / Masse d’air corrigée pour les différents points de fonctionnement du moteur et tracer la courbe obtenue sur les MAP.

Si tous les points sont dans le diagramme, comme sur les exemples suivants, ne cherchez plus vous avez trouvé le turbocompresseur idéal.


Si votre tracé est dans le style de l’exemple suivant:
La courbe en rouge est caractéristique d’un turbocompresseur trop petit par rapport à la masse d’air à fournir au moteur à tous les régimes. La courbe en jaune est caractéristique d’un turbocompresseur trop petit par rapport à la masse d’air à fournir au moteur à haut régime. La courbe en bleue est montre que le turbo ne supporte pas de ratio de pression si élevé.
Les conséquences:
Le turbo sera en survitesse lors du fonctionnement normal du moteur.
Usure prématurée de ce dernier.
Centrifugation des ailettes
Un mauvais rendement de la partie compresseur qui se traduit par un échauffement plus important des gaz admis, donc un air moins dense et moins de chevaux au final.


Si vous vous situez plus dans ce cas de figure:
Votre turbocompresseur est trop gros.
Les conséquences:
Le fonctionnement dans ce cas est critique et destructeur car le pompage génère des vibrations importantes endommageant les paliers.


Si votre tracé est semblable au suivant:
Votre turbocompresseur possède une plage de fonctionnement trop restreinte par rapport à celle du moteur.
Les conséquences:
Risques de pompage à bas régime.
Survitesse à haut régime moteur.

Voilà vous avez en main les calculs et les explications tant demandés afin de déterminer si le turbocompresseur caché au fond du garage vous permettra de tous les “bouffer” sur piste ou de vous faire plaisir sur route en ayant un moteur coupleux à souhait.
Ne l’oubliez pas un turbocompresseur n’est pas forcement réservé à la piste, un bon 2 litres avec une pression de suralimentation faible (turbo basse pression) peut transformer le plus poussif véhicule en un daily agréable et idéal pour “cruiser” le coude à la fenètre ou voyager loin.
Pour tous ceux qui sont un peu rebutés par les mathématiques, ce que je comprends, vous trouverez dans  la “Boite à outils Perfo” des outils vous permettant de réaliser les calculs automatiquement (merci F4E) ainsi que le tracé sur les diagrammes de fonctionnement des turbocompresseurs:

Le calcul automatique de la masse d’air corrigée

Le placement des points de fonctionnement sur les map
Si vous possédez d’autres MAP de turbo qui ne sont pas intégrées à ces feuilles faites moi les parvenir, je réaliserai une mise à jour du le fichier.

La théorie c’est terminé (ouf !) Les prochaines parties seront plus pratiques. Nous verrons l’assemblage phase par phase d’un flat aircooled turbocompressé.
Dossier préparé par Christophe Anthoine