La techonologie des moteurs Turbo – Part.1

Depuis quelque temps sur Flat4ever, il y a des discussions acharnées, passionnées, au cours desquelles certains membres laissent apparaître des compétences que nul ne peut mettre en doute. C’est toujours avec la même – et agréable – surprise que cette mise en commun du “savoir” se fait. Ainsi donc, dans la famille “Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le Turbo”, voici les (premiers) éléments réponse

Les posts sur la suralimentation de nos chers type 1 et type 4 sont de plus en plus nombreux. La question que tout le monde pose c’est: “Quel turbo pour quel moteur ? Il apparaît censé de penser que l’on ne gave pas un 1600 stock de la même façon qu’un 2 litres avec des groses soupapes …

Pour répondre à cette grande interrogation, il convient de savoir lire un diagramme, appelé aussi “map”, d’un compresseur.

En voici deux exemples, qui caractérisent le plus petit turbo de la gamme T03 et le plus gros: respectivement le “trim 40” et “super 60”.

Comment choisir entre ces deux compresseurs ? En premier lieu, il faut être pragmatique et logique: un gros compresseur sur un petit moteur ne donnera pas entièrement satisfaction de même que l’inverse: gros moteur et petit turbo.

Un diagramme est une “photo” de l’efficacité du compresseur représenté suivant 2 axes. En vous fixant quelques paramètres tels que la puissance que vous désirez obtenir et la pression de suralimentation, vous pouvez dans un premier temps choisir un compresseur répondant à vos besoins.

Voici le diagramme du T03 trim 40, avec quelques annotations :

1 Rapport de pression (pressure ratio)

C’est le rapport entre la pression absolue dans la pipe d’admission et la pression atmosphérique. Comment calcule-t-on la pression absolue ? Simplement la pression absolue est égale à la pression lu sur le manomètre plus 1 atmosphère. En générale la pression atmosphérique est considérée comme égale à une atmosphère.
Donc au final :
RATIO = (pression du manomètre + 1 atmosphère) / 1 atmosphère.

J’entends des voix qui demande : c’est quoi une atmosphère ? “Moi je connais les bars, comme mon mano”.
En première approximation, on peut dire 1 atmosphère = 1 bar. Cela simplifie grandement les choses. Donc pour calculer votre rapport de pression et en bars c’est très simple : pression du manomètre + 1

2 Débit massique d’air (airflow)

Sur cet axe, il est représenté la quantité d’air en livres par minute, pour convertir, 1 livre = 450 grammes. Une règle générale dit que chaque livre d’air permet de délivrer 10 hp au volant moteur.
!!!! A MANIER AVEC EXTREMEMENT DE PRECAUTIONS !!!! Il ne s’agit que d’un estimation…

3 Ligne limite de fonctionnement (surge limit)

Tous les points situés à gauche de cette ligne indiquent que la roue de compresseur est trop grosse pour la puissance et la pression désirée. Il n’y aura pas assez d’énergie dans les gaz d’échappement pour faire tourner la roue suffisamment vite afin de générer une suralimentation correcte.

4 Rendement de la roue (wheel efficiency)

Les boucles représentent l’efficacité de la roue du compresseur. La valeur maximum atteinte et les variations sont des paramètres intrinsèques de la roue du compresseur. On ne peut pas extrapoler l’efficacité de la roue de trim 50 en se basant sur celle du trim 40.

5 Zone d’efficacité maximale (efficiency island)

Ce n’est pas Paradyse Island ou Fantasy Island, mais bien une zone réelle ou le compresseur donne le meilleur de lui même.

Qu’est-ce que cette efficacité ? L’efficacité est un rapport d’énergie : ” Energie Mécanique du gaz”/ ” Energie totale du gaz “.

C’est bien beau, mais quel est le rapport avec un moteur ? Ce que l’on recherche c’est une augmentation de la masse d’air dans la pipe d’admission, que l’on peut appeler ” énergie mécanique “. Or en comprimant l’air d’admission, la pression augmente mais aussi la température L., on augmente l’ ” énergie totale “= ” énergie mécanique J”+ ” énergie thermique L”. Or un gaz dont la température s’élève devient moins dense, effet opposé à celui recherché.
Les compresseurs sont donc conçus pour fournir le maximum d’ “énergie mécanique” à l’air d’admission sans trop l’échauffer. Mais ils ne peuvent le faire que sur une partie restreinte de la plage d’utilisation. Lorsque l’on s’éloigne de cette zone, on obtiendra plus de pression ou plus de débit massique mais avec un échauffement supérieur ; voir plus loin 3 hypothèses de fonctionnement.

6 Surrégime (overspin)

Et oui, comme les moteurs, les turbocompresseurs peuvent être en surrégime. Tous les point situés cette foi à droite du graphique indique que la roue en question est trop petite et qu’elle tournera trop vite. A ces niveaux de fonctionnement, le turbocompresseur ne joue plus son rôle principal : augmenter la densité de l’air dans la pipe d’admission, mais il devient un simple “radiateur” qui fait plus qu’échauffer l’air admis.

7 Vitesse de rotation de la roue (compressor wheel speed)

Ces lignes tracées sur le graphique indiquent la vitesse de rotation en tr/mn de l’axe du turbo. On est loin des 5500 tr/mn maxi d’un vilo non équilibré. Mais rappelez vous une chose simple, plus le turbo tourne vite, plus l’augmentation de la température d’air sera importante. C’est pour cela que l’on a inventé les échangeurs…

Les pièces manquantes
Bien entendu, le régime maximal du moteur et le remplissage auront une importance sur le fonctionnement du turbo ainsi que sur la puissance générée. D’autre part le rapport A/R de la turbine est à prendre en compte aussi. Tous ces paramètres influent sur la rapidité de montée en régime du turbo donc du fameux temps de réponse. Mais cela est une autre histoire.

Voyons maintenant trois hypothèses de fonctionnements :

Point 1 : Ratio=2 et Débit=12.7 lb/mn .Dans ce cas le point de fonctionnement se trouve dans la zone d’efficacité maximale J. Rapport de pression de 2, Le manomètre doit indiquer 1 bar de sural J. C’est déjà pas mal. Cette zone s’étend de 11 lb/mn à 14.2 lb/mn, en jaune sur le graphique, le compresseur est donc capable de fournir entre 110 et 140 chevaux, dans de très bonnes conditions.

Point 3: Maintenant j’espère 195 chevaux ; point 3 : Ratio=2 et Débit=19.5 lb/mn. Le point de fonctionnement est alors en dehors de la zone et sur la droite. Le compresseur sera donc en surrégime à environ 144 000 tr/mn. On dépasse les capacités de ce compresseur. Une autre roue doit être envisagée ou/et une volute plus grosse.

Point 2: J’ai refait le moteur complètement et il peut supporter sans problème 1.5 bars de suralimentation. Avec ce nouveau bloc, j’espère 180 chevaux soit un débit massique de 18 lb/mn. Le compresseur sera donc au point 3. Je suis encore dans la plage de fonctionnement. L’efficacité de la roue est d’environ 68%. Mais si je regarde le régime de rotation à 150 000 tr/mn … c’est chaud. L’échangeur s’impose…..

Voilà pour une petite explication de ces MAP. Beaucoup vont dire que certains paramètres sont laissés de cotés. Oui, ce n’est pas le but de cet article que de calculer tous les points de fonctionnement d’un compresseur sur un moteur. Pour cela il existe des logiciels qui automatisent les calculs. Mais l’interprétation du placement des points est toujours à la charge de celui qui entre les données, ainsi que le choix final. Ces quelques “éclaircissements” permettront, je pense, d’avancer dans votre choix d’un turbo, ou alors de définir la cylindrée du moteur que vous construirez si vous avez un petit turbo en réserve et bien caché au fond du garage. On ne sait jamais…

Suite de la saga “TURBO” bientôt sur votre site préféré !

Dossier préparé par Christophe ANTHOINE