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22/04/2010

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Le Turbocompresseur Un peu D'Histoire...

Le Turbocompresseur
Un peu D'Histoire...
En 150 avant JC, La première turbine à air que l'on connaît a été construite 150 ans avant notre ère à Alexandrie. Elle était constituée d'une grande cheminée verticale qui, par tirage naturel, actionnait un tourniquet mettant en mouvement des pictogrammes mythiques.

En 1902, En décembre 1902 Louis Renault dépose un brevet pour « un dispositif augmentant la pression des gaz admis dans les cylindres des moteurs à explosion, consistant à intercaler un ventilateur ou un compresseur… ».

En 1905, Albert Büchi, ingénieur Suisse brevette un : « compresseur centrifuge et turbine entraînée par les gaz d'échappement ».

En 1916, Auguste RATEAU est un ingénieur Français qui développe un turbocompresseur pour les moteurs d'avions. Au cours de la guerre de 1914-1918 les premiers moteurs d'avions turbocompressés sont utilisés avec succès, ils permettent d'atteindre 5000 mètres d'altitude. Une centaine de turbocompresseurs furent montés sur les Breguet XIV.

Dans les années 1930, Un certain nombre de véhicules à vocation sportive intégrèrent le célèbre turbocompresseur Roots.

En 1942, Parmi toutes ces avions suralimentés, deux d'entre eux, le 12 septembre 1942, s'affronteront dans un combat singulier et unique pendant la guerre, à très haute altitude: 44 000 pieds soit plus de 13 000 mètres, Ce jour-là, un Junkers 86 allemand à moteur Diesel 2 temps compressé décolle, piloté par Horst Götz. Il est intercepté au-dessus de Christchurch par un Spitfire stratosphérique à moteur Rolls Royce à carburateur compressé, piloté par l'as britannique de la RAF, le prince Emmanuel Galitzine, descendant de la grande Catherine de Russie. Ils sont à 44000 pieds et c'est la première fois qu'un combat aérien se déroulera à cette altitude où l'air est rare pour les moteurs mais surtout pour les pilotes. Ce combat durera 45 minutes, ce qui est extrêmement long. Il n'y aura ni vainqueur ni vaincu et H. Götz se posera à Caen - Carpiquet épuisé.

En 1952, Un moteur Diesel, celui de la Cummins permit au turbocompresseur de s'exprimer sur l'Ovale des 500 Miles d'Indianapolis, Il développait 380 ch à 4 000 tours / minutes pour 6.6 litres de cylindrée.

En 1962, La première version commerciale d'un moteur suralimenté par un turbocompresseur, fut celui de la Chevrolet Corvair Monza dont la puissance du moteur passa de 100 à 180 Cv.

En 1969, BMW monta un turbocompresseur sur une 2002 qui devint championne des voitures de tourisme. Dans sa version la plus « musclée » elle délivrera 280 Cv.

En 1970, Côté Porsche, c'est très fort. Les 935 et 936 connurent des victoires sur tous les circuits d'endurance.

En 1972, En 1972, la Porsche 917 turbocompressée délivrait 1 100 ch pour une cylindrée de 5 .4 l avec une pression de suralimentation de 3,4 bars !… Renault expérimenta au Critérium des Cévennes, une Alpine A110 équipée d'un moteur 1,6 litres suralimenté. BMW présenta au salon de Frankfurt une 2002 équipée d'un quatre cylindres de 2 litres développant 170 Cv. Elle fut produite en 1500 exemplaires.

En 1978, Renault gagne les 24 heures du Mans avec une voiture équipée d'un V6 turbo d' 1,5 litres, surclassant ainsi le célèbre V8 Cosworth de 3L de cylindrée.


Mais qu'est – ce donc qu'un turbo ? :

Le mot « Turbo » est synonyme de puissance et d'accélérations instantanées. Derrière ce patronyme se cache des décennies de recherches et d'améliorations.

Pour faire grimper la puissance d'un moteur, il y a plusieurs solutions :

1) Il faut accroître la cylindrée,
2) Le faire tourner plus vite,
3) Lui fournir plus d'énergie, donc plus de carburant.

Les compresseurs centrifuges :

La technologie TURBO entre dans la troisième catégorie. Dans la pratique, on ne peut pas se contenter d'augmenter les doses de carburant dans une chambre de combustion sans accroître en proportion la quantité d'air. Sinon, on s'éloigne du rapport optimal air/carburant – qui respecte des proportions bien précises en essence comme en diesel –, avec pour effet de dégrader la combustion et le niveau d'émissions polluantes.

Pour contourner cette difficulté, les ingénieurs ont conçus un système qui recueille les gaz d'échappement pour faire tourner un compresseur qui à son tour réinjecte de l'air sous pression dans le circuit d'admission. Le TURBO est l'élément principal de ce système.

Le principe du TURBO n'est pas nouveau puisque Rodolphe DIESEL, dans les années 1890 avait déjà planché sur son utilisation. Toutefois, le TURBO fut d'abord joint à des moteurs utilisés pour les bateaux, les avions, les camions et les véhicules de chantier.
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Après le choc pétrolier de 1973, les constructeurs se sont servit du turbo principalement pour réduire la consommation en carburant de leurs modèles.

Principe de fonctionnement :

Sous l'effet de la force centrifuge due à la vitesse de rotation, l'air est chassée vers la périphérie de la roue, ce qui crée une dépression en son centre d'ou aspiration de l'air. Pour fonctionner correctement, ces compresseurs doivent tourner très vite (> 100 000 tr/min) sinon on obtient pas les débits désirés. C'est pourquoi ils ne sont souvent pas « rentables » en dessous d'un certain régime moteur (env. 2800 tr/min). Ce régime est dit : régime d'accrochage.


Installé à la sortie du moteur, il collecte les gaz d'échappement qui font tourner une turbine, qui solidaire d'un compresseur aspire de l'air et le réinjecte dans le circuit d'admission. Ainsi on peut dire que ce système exploite l'énergie cinétique, volumétrique et thermique contenue dans les gaz d'échappement. Grâce à cet apport d'air comprimé, il devient possible de suralimenter le moteur en carburant.

Mais attention, si c'est avant tout à bas régime qu'un utilisateur aura besoin de puissance supplémentaire, c'est également à bas régime que les gaz capturés sont les moins énergétiques. Les moteurs ne pouvant pas être trop gavés sans risque, il faut trouver le bon dosage afin de fournir et de maîtriser un maximum de puissance à bas régime.

On rencontre plus de moteurs Diesel couplés à des turbos que des moteurs essence pour les raisons suivantes :

1) Un moteur Diesel fonctionne avec mélange pauvre en carburant et riche en air, et nécessite un rapport air/carburant maîtrisé. Le turbo est donc une solution idéale pour augmenter la puissance spécifique de ces moteurs en respectant des seuils d'émissions très stricts.

2) Un moteur diesel fonctionne sur des plages de régime étroites (entre 1000 et 4 000 tours/minute) qui s'adaptent bien au turbo. Sur les moteurs Diesel à injection directe, le turbo est même devenu incontournable.

Il y a aujourd'hui plusieurs types de Turbos :

les turbos à géométrie fixe

Pour augmenter la puissance à bas régime, les gaz arrivent dans la turbine par un étroit tuyau qui augmente la pression. Pour éviter la surpression, une soupape évacue les gaz. Ce type de turbo est encore de nos jour le plus répandu. La turbine tourne à des vitesses comprises entre 15.000 et 240.000 tours par minute.

les turbos à géométrie variable (Inventé par Monsieur GARRETT)

Développer dans les années 90 pour permettre une meilleur exploitation des gaz, la pression est régulée grâce à un dispositif qui fait que plus la pression augmente, plus la turbine laisse passer, c'est le système Turbo « One piece »

Un autre système utilise une technologie « Multi ailettes » beaucoup plus sophistiquée. L'orientation des ailettes est pilotée par électronique.
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Les moteurs à essence ont une plage de régime plus large (Entre 1000 et 7000 tours par minute), ils peuvent produire des températures approchant les 1.000°. Ces températures nécessitent la mise en œuvre de technologies très coûteuses. De plus se pose le problème de « Réaspiration des gaz usés » (Une partie des gaz usés d'un piston est réaspirée par un autre piston via le turbo). En la matière, la solution consiste à amener les gaz jusqu'à la turbine par deux entrées, chacune connectée à deux pistons.

Il faut rappeler qu'aujourd'hui les constructeurs veulent utiliser le turbo pour réduire la cylindrée des automobiles (Baisse de la consommation de carburant oblige). Le Moteur 1,5 DCI de Renault qui développait 80 Cv va en sortir prochainement 100 et PSA propose dès à présent un 1,6 HDI de 110 Cv qui remplace le 2 litres HDI !

Si le moteur nécessite une suralimentation importante, il sera donc obligatoire de prévoir un système de refroidissement de l'air aspiré. Plus le moteur tourne vite, plus la turbine et donc le compresseur prennent de la vitesse, le débit à l'admission augmente et la quantité de gaz d'échappement aussi. La turbine tournera plus vite et ainsi de suite jusqu'à rupture de l'axe du turbo ou du moteur.

Le refroidissement de l'air d'admission :

L'échangeur a pour rôle de ramener la température de l'air comprimé aux alentours de 50 à 60°C. Il existe deux types d'échangeurs, les air/air et les air/eau. Le principe consiste à refroidir l'air d'admission soit pas de l'air extérieur, soit par le liquide de refroidissement du moteur C'est l'Intercooler. Sur certains moteurs à caractère sportif, on trouve un système mixte air / eau / air.
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Les TURBOs centrifuges ne sont pas les seuls systèmes permettant de doper les moteurs. Il existe également :

- les TURBOs volumétriques, comme le turbocompresseur Roots qui équipe les Mercedes, Lancia…, ou les TURBOs à spirale qu'on trouve chez Volswagen.


Quelques définitions :

a) Le rapport de compression, est le rapport entre la pression de l'air en sortie du compresseur, et la pression de l'air en entrée du même compresseur
b) Le débit du Turbo, c'est la quantité d'air comprimé fournit par le compresseur (Kg par seconde).
c) Le rendement du Turbo actuel est d'environ 0,75. Il est calculé grâce à la formule h = (T2 théorique – T1) / (T2 réelle – T1), où T2 est la température de l'air en sortie de compresseur, T1 est la température de l'air à l'entrée du compresseur, et la valeur de T2 théorique est celle issue des lois thermodynamiques théoriques, c'est à dire par le calcul.
d) Le régime du Turbo, est une donnée très importante puisque c'est du régime que découle toutes les lois précédentes. Pour un faible régime, on aura donc une faible suralimentation, donc mauvais rendement et un petit débit.


Compte tenu des contraintes que le TURBO doit subir en fonctionnement, cette pièce est constituée d'éléments de haute technologie. La température interne est d'environ 900° et la vitesse de rotation moyenne supérieure à 100.000 tours par minutes. Aussi les fontes, acier et alliages utilisés sont-ils spécifiques et les pièces coûteuses à produire.




(c) Olivier P./

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