Turbo-compresseur

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Turbocompresseur sur un moteur de poids lourd (Renault Magnum)

Un turbocompresseur est un organe annexe d’un moteur à combustion interne à allumage commandé ou par compression (Diesel), destiné à augmenter la pression des gaz admis, permettant un meilleur remplissage des cylindres en air. Ce type de compresseur est entraîné par une turbine placée dans les gaz d'échappement, qui cèdent ainsi une partie de leur énergie cinétique, sans consommer de couple sur l'arbre moteur.

Histoire

Le principe de la suralimentation des moteurs thermiques à combustion interne a été proposé dès les premiers développements de ces moteurs.

• En 1905 le brevet du turbocompresseur a été déposé par l’ingénieur suisse Alfred Büchi.
• Une de ses premières applications a été un moteur Renault propulsant un avion de chasse pendant la Guerre 1914-1918 par l’ingénieur Auguste Rateau.

Cette technique de suralimentation est très souvent appliquée aux moteurs des automobiles de course. Elle est, en revanche, interdite dans certaines disciplines (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 (CRDI, TDI, TDCI, HDi, dCi, DTI…) et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence (THP, TCE).

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

Fonctionnement

Une turbine placée dans le flux des gaz d’échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse, elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur. 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 car la compression échauffe les gaz. 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 donc la puissance du moteur.

Avantages et inconvénients

D’un point de vue mécanique, le turbocompresseur est un organe délicat.

• Il fonctionne à des vitesses de rotation très élevées (typiquement 180 000 tr/min et même jusqu'à 220 000 tr/min pour certains turbocompresseurs actuels, le plus souvent sa vitesse de rotation se situe autour des 180 000 tr/min pour des véhicules plus ancien s ex. : ZX, R19…).
  • Cette vitesse doit être impérativement maîtrisée (en effet, si la vitesse de l’extrémité des pales de turbine atteint une valeur supersonique, ou même seulement transsonique, le turbo est détruit !).
• Il subit des contraintes thermiques énormes (la turbine côté échappement est à une température dépassant les 800 °C sur moteurs diesel et 1 000 °C sur moteurs essence et, à quelques centimètres, du côté compresseur, la température est d’environ 20 °C), ce qui implique l’utilisation de méthodes et de matériaux particuliers pour sa fabrication, d'où le prix élevé d’un turbo.
• La lubrification des paliers de l’arbre supportant les deux turbines du turbo est aussi un problème crucial. Elle assure un fonctionnement normal des paliers, en formant un film d’huile entre les parties en mouvement, mais aussi participe au refroidissement intensif des paliers.
• Le taux de compression doit être adapté de façon à ce que les pressions de compression (Pc) et de combustion (Pz) n’excèdent pas les limites admissibles. Pour les moteurs à essence, la limitation de Pc est nécessaire pour éviter les phénomènes d’auto-allumage et de détonation, alors que sur les moteurs Diesel, Pz n’est limité que par la résistance mécanique des structures du moteur, notamment de la culasse.

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

• L'abaissement du taux de compression géométrique combiné à la non-linéarité de la pression fournie par les turbocompresseurs classiques impose de choisir entre un moteur à fort taux de compression géométrique et faible pression de suralimentation (moteur souple mais peu puissant) et un moteur à faible taux de compression géométrique et forte pression de suralimentation (moteur puissant mais très creux à bas régime). C’est une des raisons pour lesquelles les turbocompresseurs n’ont jamais percé en motocyclette.

De nos jours, ce problème a été résolu par les turbocompresseurs à géométrie variable, qui délivrent une pression de suralimentation relativement constante.

Avantages

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

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.

Précautions d'emploi

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

Afin de préserver de l'usure cet élément et le refroidir, le turbocompresseur partage avec le moteur le même système de lubrification par huile: problème: lors de l'arrêt du moteur, la pompe à huile n'est plus entrainée et le turbocompresseur n'est plus lubrifié. Outre le fait que l'huile alors présente entre l'axe et le palier de turbine va brûler (température pouvant alors s'élever à 1000°C voire plus), créant un résidu néfaste car composé de corps solides très abrasifs qui vont créer un jeu excessif à la longue, la turbine, encore entrainée par son inertie n'est plus ni lubrifiée ni refroidie et peut alors casser du fait de contraintes thermiques et mécaniques trop importantes, et ce, sur n'importe quel turbocompresseur, car fonctionnant tous selon ces mêmes principes de base.

Par conséquent, il est conseillé soit de faire fonctionner le moteur au ralenti pendant environ une à trois minutes afin que la turbine interne voit sa vitesse de rotation chuter, pendant que la lubrification du moteur et donc du turbocompresseur, elle, continue de s'effectuer et de dissiper la chaleur du système; si cette procédure, si souvent oubliée du néophyte, ne peut être réalisée, ne serait-ce que par le temps requis pour sa mise en œuvre, un équipement de seconde monte peut être installé par un spécialiste en accessoire automobiles: un turbo timer qui aura pour charge de stopper le moteur lorsque le turbo sera convenablement refroidi même si le contact est coupé à la clé.

Autre signification

Un turbocompresseur est un compresseur (centrifuge, ou axial) entraîné par une turbine alimentée soit par de la vapeur ( Turbine vapeur ) soit par du gaz ( Turbine gaz) ou soit par la detente de gaz ( turbine de détente),

Voir aussi

• Moteur à explosion
• Compresseur mécanique
• Honeywell

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