Vous vous êtes déjà interrogé sur le fonctionnement de la suralimentation turbo dans un moteur ? Cette technologie, omniprésente dans le monde de l'automobile, permet d'accroître la puissance et le rendement des moteurs, qu'ils soient essence ou diesel. Dans cet article, nous allons décortiquer le système de suralimentation, expliquer le rôle du turbocompresseur et vous guider pour diagnostiquer et entretenir votre véhicule.
Qu'est-ce que la suralimentation turbo ?
La suralimentation turbo vise à augmenter la quantité d'air admise dans le moteur pour améliorer la combustion du carburant. Le turbocompresseur est au cœur de ce système. Il se compose d'une turbine entraînée par les gaz d'échappement et d'un compresseur qui comprime l'air avant son introduction dans le circuit d'admission. Cette augmentation de la pression, appelée pression de suralimentation, permet aux cylindres de recevoir plus d'air comprimé, favorisant une combustion plus efficace.
Le principe du turbo compresseur repose sur la récupération de l'énergie des gaz d'échappement, qui auraient autrement été perdus. Cette innovation permet une meilleure efficacité énergétique et une réduction des émissions polluantes.
Un turbo, élément clé fabriqué par le célèbre ingénieur suisse Alfred Buchi en 1905, est une innovation majeure permettant de transformer l'énergie des gaz d'échappement en force supplémentaire pour le moteur. Le turbo reconditionné, ou plus communément appelé turbo, est un dispositif de suralimentation qui augmente la densité de l'air entrant dans les moteurs à combustion. Ce processus améliore la combustion du carburant, permettant ainsi une libération plus significative d'énergie sans nécessiter un moteur plus grand ou plus lourd.
Un turbocompresseur est composé de deux "hélices" reliées entre elles (une turbine et un compresseur). Le principe du turbo est le suivant, les gaz d'échappement rejetés par le moteur font tourner une turbine (en rouge sur le schéma). Cette turbine est reliée par un axe à une deuxième hélice (en bleue) qui aura comme rôle d'envoyer une grande masse d'air vers l'admission (l'air qui s'accumule finit par se compresser, d'où le nom de turbocompresseur).
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A noter que si un moteur peut atteindre quelques milliers de tours/minute (voir votre compte tours), la turbine d'un turbo peut dépasser sans problème 200 000 tours par minute ! Ce qui représente une fréquence très importante, montrant ainsi les contraintes que peuvent subir les ailettes et roulements ... C'est donc un organe destiné à booster les moteurs, à savoir pouvoir les gaver encore plus en air et en carburant. On peut alors obtenir bien plus de puissance pour une même cylindrée. Et un moteur de 1.5 litres peut alors pouvoir engloutir autant d'air et de carburant qu'un 2.5 !
Avec un turbo j'ai plus de comburant (= air) dès les plus bas régimes : j'ai donc plus de puissance à cylindrée équivalente sur ces plage de régimes. En revanche, je peux aller moins haut dans les tours, ma courbe s'arrête donc avant (trop de tours peut casser le turbo). Comme à bas régime le turbo ne fonctionne quasiment pas, on se retrouve avec un moteur plus sobre en conduite calme (qui consomme comme un petit moteur), et c'est tout l'avantage de la suralimentation aujourd'hui : limiter la casse côté malus en proposant des moteurs qui se débrouillent bien aux cycles d'homologation WLTP.
En revanche, dès qu'on tire dessus, notre petit 1.5 pas trop glouton devient un 2.5 très vorace ! Voilà pourquoi la différence entre consommations officielles (NEDC / WLTP) est si importante avec les moteurs turbo. Car dans la réalité, personne ne se limite à la plage basse (régime) d'utilisation du moteur : trop creux et désagréable donc.
Le turbo doit être lubrifié au niveau de son axe central. Et comme un roulement à billes ne suffit pas pour résister à de telles régimes (plus de 100 000 t/min), il faut utiliser un palier.
Les différents types de turbocompresseurs
Il existe plusieurs types de turbocompresseurs adaptés aux différents moteurs et aux exigences de performance.
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- Compresseur mécanique : également appelé supercharger, il est entraîné directement par une courroie reliée au moteur.
- Turbocompresseurs simples : C’est le type de turbocompresseur le plus répandu sur le marché automobile. Il est décliné dans toutes les tailles et est le plus utilisé par les constructeurs automobiles car son coût de fabrication est faible, son installation est très facile et ce modèle de turbo permet d’augmenter la performance du moteur.
- Turbos doubles : Comme leur nom l’indique, les turbos doubles impliquent l’ajout d’un deuxième turbocompresseur à un moteur. Pour les moteurs V6 et V8, il est possible d’affecter un turbo simple sur chaque ensemble de cylindres. Sinon, il est possible d’utiliser un plus petit turbo à un régime plus faible associé à un plus grand turbo pour les régimes plus élevés. Cette deuxième configuration (aussi appelée double turbocompression séquentielle) donne accès à une plage de régimes plus étendue et à un meilleur couple à bas régime (en réduisant la latence), mais donne également de la puissance à un régime élevé.
- Turbocompresseurs à double entrée : Les turbocompresseurs à double entrée requièrent un carter de turbine dont l’entrée est divisée et un collecteur d’échappement qui associe les bons cylindres du moteur avec chaque entrée de manière indépendante. Cette configuration permet d’acheminer plus efficacement l’énergie des gaz d’échappement vers le turbo et contribue à fournir un air plus dense et plus pur à chaque cylindre. La turbine d’échappement reçoit donc plus d’énergie, ce qui signifie plus de puissance.
- Turbocompresseurs à géométrie variable (TGV) : Les turbos plus récents s'accolent des ailettes rotatives que l'on appellera alors turbo à géométrie variable. L'avantage est de rendre encore plus efficient le turbocompresseur en faisant varier l'inclinaison des ailettes selon la vitesse de l'air qui s'engouffre. Notez au passage que ce type de turbo améliore l'agrément en évitant que ce dernier ne s'active trop brutalement. Ici il se met à fonctionner de manière plus progressive, amenant alors une plus grande souplesse d'utilisation (bien que cela soit assez anecdotique au final ...). Hélas, sa technicité avancée (mobilité des ailettes) le rend aussi plus fragile (plus de complexité = plus de dysfonctionnements possibles). En règle générale, le carter de la turbine des TGV comprend un anneau d’ailettes de forme aérodynamique au niveau de l’entrée. Dans les turbos des voitures de tourisme et des véhicules utilitaires légers, ces ailettes tournent pour faire varier l’angle de tourbillonnement du gaz et la section transversale. Ces ailettes internes modifient le ratio section sur rayon (S/R) du turbo pour qu’il s’adapte au régime du moteur et permettent ainsi d’obtenir des performances optimales.
- Turbocompresseur DEV : Comme son nom l’indique, un turbocompresseur DEV associe les avantages d’un turbo à double entrée et d’un turbo à géométrie variable. Pour cela, il est possible d’utiliser une soupape pour rediriger le débit d’air rejeté vers une seule volute, ou de faire varier l’ouverture de la soupape pour obliger les gaz d’échappement à se séparer dans les deux volutes.
- Turbocompresseur électrique : Dernier sorti sur le marché, il est équipé d’un moteur électrique permettant de diminuer le temps de réponse d’un turbo classique. Un turbocompresseur électrique s’utilise pour éliminer la latence du turbo et seconder un turbocompresseur classique à bas régime, là où il n’est pas le plus performant. Pour cela, il faut ajouter un moteur électrique qui augmente la vitesse de rotation du compresseur du turbo dès le démarrage et à bas régime, jusqu’à ce que la puissance du volume d’échappement soit assez élevée pour faire fonctionner le turbocompresseur. Cette approche élimine la latence du turbo et augmente considérablement la plage de régimes dans laquelle le turbo fonctionnera de manière efficace.
Comment améliorer les performances du turbo
Pour accroître les capacités du turbo (et plus largement l'admission d'air), il faut refroidir l'air compressé. En comprimant l'air, le turbo finit par le chauffer ... Pour palier à cela, on utilise l'intercooler (changeur thermique) qui permet tout bêtement de refroidir l'air compressé par le turbo avant de l'envoyer dans les chambres de combustion.
Pour éviter qu'il y ait une surpression à l'admission (qui peut endommager moteur et turbo), les ingénieurs ont installé un système qui permet de limiter cette dernière, cela s'appelle la Wastegate. Son rôle est donc d'évacuer toute pression excédentaire de celle tolérée par le circuit de suralimentation. De plus, c'est l'électronique qui commande cette dernière par le biais d'une électrovanne sur les voitures plus modernes (la simple pression dans l'admission sert à commander les plus anciennes).
L'installation d'un intercooler permet de refroidir l'air avant son entrée dans le moteur, augmentant la densité de l'air et améliorant la combustion. Il est important de noter que ces modifications doivent être accompagnées d'un réglage électronique du calculateur pour gérer correctement les nouvelles conditions de fonctionnement.
Diagnostic et entretien du turbocompresseur
Un turbo défectueux peut causer divers symptômes : perte de puissance, fumée excessive, sifflements anormaux ou consommation accrue d'huile. Pour identifier la cause, une valise de diagnostic est un outil indispensable. Elle permet de lire les codes erreur du calculateur du véhicule et de vérifier les valeurs du capteur de pression turbo. Un code spécifique peut indiquer un dysfonctionnement du capteur, une fuite dans le circuit d'admission ou un problème au niveau de la soupape de décharge.
L'entretien régulier du turbocompresseur est essentiel pour garantir sa longévité et ses performances. Un entretien adéquat prévient les pannes coûteuses et assure un fonctionnement optimal du moteur. Tous ces composants doivent être en bon état pour que le système de suralimentation fonctionne correctement.
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Les turbos, bien qu'efficaces, sont sujets à divers problèmes qui peuvent compromettre leur fonctionnement. La surveillance régulière est donc importante. Parmi les signes d'alerte figurent une baisse notable de la puissance, une consommation excessive de carburant, un sifflement ou encore une fumée inhabituelle provenant de l'échappement. Ces symptômes peuvent indiquer une fuite d'huile, des débris dans les turbines, ou un déséquilibre de l'arbre de liaison.
Il est important de choisir un turbo adapté à la puissance et aux spécifications de votre moteur.
Conseils d'entretien :
- Rouler doucement les premiers kilomètres.
- Laisser le moteur tourner avant l’arrêt total.
- Procéder à un entretien régulier de votre véhicule.
- Le remplacement périodique de certains filtres, comme le filtre à huile et à air, est recommandé afin de diminuer la pollution et de prévenir les impacts négatifs sur le turbo.
Historique du turbocompresseur
Louis Renault eut le premier l'idée qu’en forçant plus d’air à entrer dans les cylindres, on pouvait augmenter sensiblement la puissance d’un moteur sans en changer les dimensions. En 1916, Auguste RATEAU, ingénieur français développe un turbocompresseur pour les moteurs d'avions. Les moteurs gagnaient un peu en puissance, mais surtout pouvaient fonctionner à une altitude beaucoup plus élevée, en leur permettant d'atteindre une altitude de 5000 mètres.
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