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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 premire turbine air que l'on connat a t construite 150 ans avant notre re Alexandrie. Elle tait constitue d'une grande chemine verticale qui, par tirage naturel, actionnait un tourniquet mettant en mouvement des pictogrammes mythiques.

En 1902, En dcembre 1902 Louis Renault dpose un brevet pour un dispositif augmentant la pression des gaz admis dans les cylindres des moteurs explosion, consistant intercaler un ventilateur ou un compresseur .

En 1905, Albert Bchi, ingnieur Suisse brevette un : compresseur centrifuge et turbine entrane par les gaz d'chappement .

En 1916, Auguste RATEAU est un ingnieur Franais qui dveloppe un turbocompresseur pour les moteurs d'avions. Au cours de la guerre de 1914-1918 les premiers moteurs d'avions turbocompresss sont utiliss avec succs, ils permettent d'atteindre 5000 mtres d'altitude. Une centaine de turbocompresseurs furent monts sur les Breguet XIV.

Dans les annes 1930, Un certain nombre de vhicules vocation sportive intgrrent le clbre turbocompresseur Roots.

En 1942, Parmi toutes ces avions suraliments, deux d'entre eux, le 12 septembre 1942, s'affronteront dans un combat singulier et unique pendant la guerre, trs haute altitude: 44 000 pieds soit plus de 13 000 mtres, Ce jour-l, un Junkers 86 allemand moteur Diesel 2 temps compress dcolle, pilot par Horst Gtz. Il est intercept au-dessus de Christchurch par un Spitfire stratosphrique moteur Rolls Royce carburateur compress, pilot par l'as britannique de la RAF, le prince Emmanuel Galitzine, descendant de la grande Catherine de Russie. Ils sont 44000 pieds et c'est la premire fois qu'un combat arien se droulera cette altitude o l'air est rare pour les moteurs mais surtout pour les pilotes. Ce combat durera 45 minutes, ce qui est extrmement long. Il n'y aura ni vainqueur ni vaincu et H. Gtz se posera Caen - Carpiquet puis.

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

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

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

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

En 1972, En 1972, la Porsche 917 turbocompresse dlivrait 1 100 ch pour une cylindre de 5 .4 l avec une pression de suralimentation de 3,4 bars ! Renault exprimenta au Critrium des Cvennes, une Alpine A110 quipe d'un moteur 1,6 litres suraliment. BMW prsenta au salon de Frankfurt une 2002 quipe d'un quatre cylindres de 2 litres dveloppant 170 Cv. Elle fut produite en 1500 exemplaires.

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


Mais qu'est ce donc qu'un turbo ? :

Le mot Turbo est synonyme de puissance et d'acclrations instantanes. Derrire ce patronyme se cache des dcennies de recherches et d'amliorations.

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

1) Il faut accrotre la cylindre,
2) Le faire tourner plus vite,
3) Lui fournir plus d'nergie, donc plus de carburant.

Les compresseurs centrifuges :

La technologie TURBO entre dans la troisime catgorie. Dans la pratique, on ne peut pas se contenter d'augmenter les doses de carburant dans une chambre de combustion sans accrotre en proportion la quantit d'air. Sinon, on s'loigne du rapport optimal air/carburant qui respecte des proportions bien prcises en essence comme en diesel , avec pour effet de dgrader la combustion et le niveau d'missions polluantes.

Pour contourner cette difficult, les ingnieurs ont conus un systme qui recueille les gaz d'chappement pour faire tourner un compresseur qui son tour rinjecte de l'air sous pression dans le circuit d'admission. Le TURBO est l'lment principal de ce systme.

Le principe du TURBO n'est pas nouveau puisque Rodolphe DIESEL, dans les annes 1890 avait dj planch sur son utilisation. Toutefois, le TURBO fut d'abord joint des moteurs utiliss pour les bateaux, les avions, les camions et les vhicules de chantier.
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Aprs le choc ptrolier de 1973, les constructeurs se sont servit du turbo principalement pour rduire la consommation en carburant de leurs modles.

Principe de fonctionnement :

Sous l'effet de la force centrifuge due la vitesse de rotation, l'air est chasse vers la priphrie de la roue, ce qui cre une dpression en son centre d'ou aspiration de l'air. Pour fonctionner correctement, ces compresseurs doivent tourner trs vite (> 100 000 tr/min) sinon on obtient pas les dbits dsirs. C'est pourquoi ils ne sont souvent pas rentables en dessous d'un certain rgime moteur (env. 2800 tr/min). Ce rgime est dit : rgime d'accrochage.


Install la sortie du moteur, il collecte les gaz d'chappement qui font tourner une turbine, qui solidaire d'un compresseur aspire de l'air et le rinjecte dans le circuit d'admission. Ainsi on peut dire que ce systme exploite l'nergie cintique, volumtrique et thermique contenue dans les gaz d'chappement. Grce cet apport d'air comprim, il devient possible de suralimenter le moteur en carburant.

Mais attention, si c'est avant tout bas rgime qu'un utilisateur aura besoin de puissance supplmentaire, c'est galement bas rgime que les gaz capturs sont les moins nergtiques. Les moteurs ne pouvant pas tre trop gavs sans risque, il faut trouver le bon dosage afin de fournir et de matriser un maximum de puissance bas rgime.

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

1) Un moteur Diesel fonctionne avec mlange pauvre en carburant et riche en air, et ncessite un rapport air/carburant matris. Le turbo est donc une solution idale pour augmenter la puissance spcifique de ces moteurs en respectant des seuils d'missions trs stricts.

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

Il y a aujourd'hui plusieurs types de Turbos :

les turbos gomtrie fixe

Pour augmenter la puissance bas rgime, les gaz arrivent dans la turbine par un troit tuyau qui augmente la pression. Pour viter la surpression, une soupape vacue les gaz. Ce type de turbo est encore de nos jour le plus rpandu. La turbine tourne des vitesses comprises entre 15.000 et 240.000 tours par minute.

les turbos gomtrie variable (Invent par Monsieur GARRETT)

Dvelopper dans les annes 90 pour permettre une meilleur exploitation des gaz, la pression est rgule grce un dispositif qui fait que plus la pression augmente, plus la turbine laisse passer, c'est le systme Turbo One piece

Un autre systme utilise une technologie Multi ailettes beaucoup plus sophistique. L'orientation des ailettes est pilote par lectronique.
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Les moteurs essence ont une plage de rgime plus large (Entre 1000 et 7000 tours par minute), ils peuvent produire des tempratures approchant les 1.000. Ces tempratures ncessitent la mise en uvre de technologies trs coteuses. De plus se pose le problme de Raspiration des gaz uss (Une partie des gaz uss d'un piston est raspire par un autre piston via le turbo). En la matire, la solution consiste amener les gaz jusqu' la turbine par deux entres, chacune connecte deux pistons.

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

Si le moteur ncessite une suralimentation importante, il sera donc obligatoire de prvoir un systme de refroidissement de l'air aspir. Plus le moteur tourne vite, plus la turbine et donc le compresseur prennent de la vitesse, le dbit l'admission augmente et la quantit de gaz d'chappement aussi. La turbine tournera plus vite et ainsi de suite jusqu' rupture de l'axe du turbo ou du moteur.

Le refroidissement de l'air d'admission :

L'changeur a pour rle de ramener la temprature de l'air comprim aux alentours de 50 60C. Il existe deux types d'changeurs, les air/air et les air/eau. Le principe consiste refroidir l'air d'admission soit pas de l'air extrieur, soit par le liquide de refroidissement du moteur C'est l'Intercooler. Sur certains moteurs caractre sportif, on trouve un systme mixte air / eau / air.
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Les TURBOs centrifuges ne sont pas les seuls systmes permettant de doper les moteurs. Il existe galement :

- les TURBOs volumtriques, comme le turbocompresseur Roots qui quipe les Mercedes, Lancia, ou les TURBOs spirale qu'on trouve chez Volswagen.


Quelques dfinitions :

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 entre du mme compresseur
b) Le dbit du Turbo, c'est la quantit d'air comprim fournit par le compresseur (Kg par seconde).
c) Le rendement du Turbo actuel est d'environ 0,75. Il est calcul grce la formule h = (T2 thorique T1) / (T2 relle T1), o T2 est la temprature de l'air en sortie de compresseur, T1 est la temprature de l'air l'entre du compresseur, et la valeur de T2 thorique est celle issue des lois thermodynamiques thoriques, c'est dire par le calcul.
d) Le rgime du Turbo, est une donne trs importante puisque c'est du rgime que dcoule toutes les lois prcdentes. Pour un faible rgime, on aura donc une faible suralimentation, donc mauvais rendement et un petit dbit.


Compte tenu des contraintes que le TURBO doit subir en fonctionnement, cette pice est constitue d'lments de haute technologie. La temprature interne est d'environ 900 et la vitesse de rotation moyenne suprieure 100.000 tours par minutes. Aussi les fontes, acier et alliages utiliss sont-ils spcifiques et les pices coteuses produire.




(c) Olivier P./

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