Non, il n’y a pas que les turbos qui peuvent comprimer l’air pour améliorer la combustion d’un moteur. Il est aussi possible d’utiliser un compresseur(volumétrique). A la différence du turbo, le compresseur est entraîné par le moteur, par l’intermédiaire d’une courroie ou d’un arbre ou de pignons.
Avantages et inconvénient d'un compresseur
L’avantage, c’est qu’il n’y a pas de temps de réponse et que son efficacité est meilleure à bas régime. L’inconvénient–qui peut aussi être un avantage– le compresseur est plus régulier que le turbo et donne une montée en régime moins agressive. C’est l’idéal pour gagner de la puissance sur une voiture sans perturber le confort.
Le compresseur est peu efficace à haut régime.
Il est donc plutôt utilisé pour des moteurs travaillant sur des régimes faibles(jusqu’à 5500 trs/min) et utilisant surtout le couple. Une autre variante a été utilisée par Lancia sur la Delta S4 avec un compresseur volumétrique qui se chargeait de compresser à bas régime et un turbo qui avait la responsabilité des hauts régimes.
Les compresseurs ont été utilisés à partir de 1920 et très utilisés les années suivantes par Mercedes, Renault, Bugatti. Ils permettaient quasiment de doubler la puissance du moteur. Par la suite ilsont plus été utilisés aux Etats Unis pour gonfler les capacités des gros moteurs. Mercedes, Jaguar, Lotus, Toyota et d’autres marques les utilisent encore actuellement.
Le principe du compresseur est de forcer le passage de l’air dans un volume plus petit. Donc il se comprime.
Pour augmenter le volume d’air à compresser, il est possible de remplacer les lobes du compresseur Roots par des“vis” hélicoïdales, comme sur les compresseurs Eaton.
C’est un peu rapide, mais ce n’est qu’une“vulgarisation”. Cela permet aussi de revenir à nos racines(roots).
Voilà, voilà …
Lionel.
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Le principe de fonctionnement est le suivant : le turbo est en deux parties, une partie compresseur centrifuge qui est entrainée par l’autre partie elle même constituée d’une turbine qui tourne grâce aux gaz d’échappements. Les gaz d’échappement ont encore de l’énergie, du fait de leur vitesse d’extraction, mais aussi de leur chaleur. La sortie de la culasse est l’endroit où les gaz ont le plus de vitesse et la chute de température importante accélère encore son mouvement. La compression de l’air permet de rentrer plus d’oxygène dans la chambre, il sera donc possible d’y mélanger plus de carburant donnant ainsi plus de puissance. La présence du turbo sur l’échappement va freiner l’évacuation des gaz et donc diminuer l’efficacité du moteur, mais bien moins que le gain obtenu avec la compression de l’air frais.
Sur une voiture de série, la pression de suralimentation est de l’ordre de 0,5 à 0,7 bar. La température du côté de la turbine(d’échappement) peut atteindre 1000°C.
Vous vous souvenez ?Les constructeurs ont cherché à améliorer la souplesse des moteurs turbo et continuent à le faire. A partir 1984 sortent des modèles Lancia Thema turbo, Ford Sierra Cosworth, Renault R21 turbo, équipés d’un système de gestion de la pression de turbo qui permet d’avoir un effet“boost” pendant les phases d’accélération. Une pression de suralimentation supérieure à la pression maxi d’usage est tolérée pour augmenter le couple aux régimes intermédiaires. Une petite électrovanne gérée par le calculateur d’injection va créer une petite fuite avant la capsule de waste gate.“L’information” de la pression étant“fausse”, la soupe de décharge s’ouvre à une pression plus élevée. Sur une voiture moderne(Ford Fiesta ST 200), la pression est augmentée de 0,45 bar.
Valve DPV
Un autre accessoire arrivé vers 1986 sur les moteurs turbo essence est la valve DPV (ou dump valve). Au changement de rapport, le papillon des gaz se ferme. Et le turbo, avec son inertie continue de tourner. Il compresse des gaz qui se trouvent bloqués dans la tubulure d’admission. Cela crée une contre pression à la sortie du turbo qui va freiner la turbine. Au moment de réaccélérer, suite au changement de rapport, la vitesse du turbo a chuté et il lui faut du temps pour reprendre sa vitesse(le temps de réponse). Pour diminuer ce temps de réponse, un système est mis en place pour permettre d’ouvrir un canal qui permettra aux gaz comprimés de rentrer à nouveau dans le circuit avant le turbo. Ce système est commandé très simplement avec la dépression du moteur. Quand vous êtes en décélération avec le papillon des gaz fermé, la dépression est maximum derrière le papillon des gaz. Cette dépression peut être utilisée pour ouvrir une vanne. Sur les voitures de série, l’air retourne dans le boitier filtre à air, sur les modèles de compétition, l’air est échappé dans l’atmosphère et donne un bruit caractéristique de“Pshittt”.
Turbo à géométrie variable
Une autre technique pour diminuer le temps de réponse et augmenter la plage d’utilisation du turbo est installée sur des turbos appelés TGV, turbo à géométrie variable. En fonction du régime du moteur, donc de la quantité de gaz d’échappement, des ailettes vont s’orienter pour laisser passer les gaz d’échappement avec plus ou moins d’influence et de force sur les ailettes de la turbine.
Le turbo est revenu à la mode sur des voitures sportives depuis une quinzaine d’années, grâce aux améliorations pour diminuer le temps de réponse et la montée en pression très rapide. Les constructeurs n’hésitent pas à mettre plusieurs turbos par moteur. Soit un turbo pour 3 ou 4 cylindres(pour un 6 ou 8 cylindres) soit plusieurs turbos de tailles différentes. Un petit pour les faibles régimes et un gros pour les hauts régimes. Ils peuvent être installés en série ou en parallèle.
Il y aurait tellement encore à dire, l’imagination des constructeurs étant quasi infinie pour augmenter la puissance ou baisser la consommation, mais je vais m’arrêter là.
Voilà, voilà …
Lionel.
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Publié le
7 octobre 2022
mis à jour 1 semaine après à cause du temps de réponse du turbo
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Musique associée
Moon Martin /Bad News
Bob Dylan / Hurricane
Je me suis rendu compte que je ne vous avais pas encore parlé de la suralimentation. Je vais donc commencer en vous parlant du principe de fonctionnement du turbo.
Le plus gros problème sur les premiers turbos était le temps de réponse. Vous vous demandez ce que c'est ?
Pour que vous compreniez bien ce que cela veut dire, j'ai écris cette intro… la semaine dernière !
Et je ne sais pas pourquoi, mais je sens qu’il va y avoir plein de questions.
Tout d’abord, ça sert à quoi un turbo ?
Vous vous souvenez, dans la chambre de combustion, on fait bruler un mélange de comburant et de carburant parfaitement dosé(l’oxygène de l’air avec de l’essence ou du gasoil) Cf post sur le carburateur
Cette combustion crée un échauffement très important, comme le volume est contenu, il y a une élévation de la pression, qui va pousser sur le piston et, par l’intermédiaire de la bielle faire tourner le vilebrequin.
Plus vous pouvez rentrer de l’air, plus vous pourrez mélanger de l’essence et plus la combustion sera importante.
Voilà.
Pour rentrer plus d’air, vous avez différentes possibilités : avoir des soupapes plus grosses, ouvrir la soupape d’admission plus longtemps, comprimer plus au moment de la compression(avoir un volume de la chambre plus petit) … ou forcer l’entrée de l’air.
Pour cela il est possible d’utiliser un compresseur entraîné par le vilebrequin
soit par un moteur électrique(dernières versions de“turbo”)
soit d’utiliser la vitesse et la force des gaz d’échappement pour faire tourner une turbine.
Cette dernière version s’appelle le turbo compresseur, soit de son petit nom, le turbo.
Premier brevet en 1905
Le turbo a été inventé en 1977 par Renault pour gagner le championnat du Monde de Formule 1 ?
Non, en 1905, un ingénieur Suisse, Alfred Büchi dépose un brevet d’un système de compression de l’air entraîné par les gaz d’échappements. Le procédé était très avantageux pour les avions qui avaient du mal à voler en haute altitude à cause de la raréfaction de l’air. Il l’est toujours et très utile pour les avions à moteurs à pistons.
C’est d’autant plus intéressant que le régime de rotation d’un moteur d’avion varie peu. Une fois que le régime de croisière est atteint, le régime du turbo est stable et peut gaver les cylindres sans problème.
Un autre domaine où le régime moteur est assez linéaire, c’est dans l’agriculture. En 1972 IH(International Harvester) sort pour l’Europe le tracteur 1246.L’évolution du 1046, mais avec un turbo. La puissance passe de 100 à 120 chevaux.
Pendant les travaux dans les champs, vous réglez le régime dans une plage autorisée et vous n’en bougez plus. Le turbo souffle régulièrement sa pression pré déterminée.
Ensuite les turbos ont été utilisés sur les camions, qui ont à peu près les mêmes contraintes que les tracteurs.
1962 :première voiture équipée d’un turbo
Alors pourquoi ne pas utiliser le turbo sur une voiture ?
La première voiture équipée d’un turbo est la Chevrolet Monza spider en 1962.
Sur le vieux continent, la voiture la plus emblématique fut la BMW 2002 Turbo en 1968, qui proposait 170 chevaux, mais qui fut retirée du catalogue au bout de 2 ans pour des raisons de sécurité.
Pourquoi cela ?
Les premiers turbos étaient“brutaux”
Pour pouvoir souffler suffisamment et ne pas endommager le moteur, le rapport volumétrique est diminué(donc la compression est plus faible). Donc à bas régime, vous avez un moteur qui est creux, moins souple qu’un moteur d’entrée de gamme.
Le turbo tourne dès que le moteur tourne, mais il lui faut une vitesse importante pour arriver à compresser suffisamment l’air(sa vitesse de rotation est entre 100 000 et 200 000 tours par minute). Donc pour qu’il ait son régime de rotation“normal”, il faut une grande quantité de gaz d’échappement. C’est pour cela, qu’à l’époque, on entendait souvent dire : le turbo s'enclenche à 3000 tours/minute. Ce qui était partiellement faux, il fallait que le moteur tourne à 3 ou 4000 tours(avec une bonne accélération) pour que la turbine tourne suffisamment vite et que la pression monte. Alors intervenait ce que l’on appelait le“coup de pied au cul”.
Ce temps entre le moment où l’on appuie sur l’accélérateur et le moment où le turbo compresse suffisamment et propulse la voiture en avant s’appelle le temps de réponse.
Comment diminuer le temps de réponse ?
En mettant un turbo plus petit, mais il aura un débit faible à haut régime.
Mettre un turbo de taille moyenne qui pourra souffler dès les régimes moyens, et limiter la quantité de gaz d’échappement qui le traverse à haut régime pour qu’il ne souffle pas trop.
Ceci est réalisable avec une soupape de décharge appelée Wast Gate.
Arrivé à une certaine pression de suralimentation, une capsule en relation avec la pression d’admission actionne une soupape laissant échapper une partie des gaz d’échappement.
Mais au fait, quand on comprime un gaz, il s’échauffe et le moteur à combustion et son cycle Beau de Rochas, n’aime pas que l’air à l’admission soit trop chaud, le rendement se dégrade.
Pour refroidir l’air compressé, on le fait passer dans un radiateur appelé échangeur air/air ou intercooler en anglais. Il est situé entre le turbo et l’admission.
La pose d’un échangeur permet ou de baisser la consommation ou d’augmenter les performances(souvent en compressant plus).
Je vais m’arrêter là pour aujourd’hui, car j’ai encore beaucoup de choses à dire et je ne voudrais pas trop vous“gaver”.
Voilà, voilà …
Lionel.
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