TURBO - Qu'est-ce que c'est et comment ça marche :

Le turbocompresseur, également appelé turbo-groupe ou turbo, est un système mécanique destiné à la suralimentation du moteur à combustion interne qui exploite les gaz d'échappement. Il est constitué de l'accouplement entre une turbine centripète, appelée le côté "chaud" ou côté échappement, où sont reçus les gaz d'échappement à haute température, et un compresseur centrifuge, appelé le côté "froid" ou côté admission, dans lequel l'air est aspiré pour être comprimé. Le turbo est installé sur le moteur en montant le côté chaud sur les collecteurs d'échappement qui, pour concentrer le flux, peuvent être, par exemple, de type 4 en 1 ou 4 2 1. Cette désignation indique la manière dont les collecteurs ont été réalisés et, plus particulièrement, l'évolution des courbes. Le turbo est utilisé dans les moteurs avec des systèmes d'injection et dans la plupart des systèmes à carburateurs, et l'avantage est de limiter les pertes de carburant le long des parois du système d'alimentation. À l'intérieur du compresseur et de la turbine se trouvent deux roues qui remplissent deux fonctions distinctes : elles sont rendues solidaires par un arbre de jonction et tournent à la même vitesse à l'intérieur de leur carter en forme de coquille. La roue de la turbine, placée à l'intérieur de la coquille d'échappement réalisée en fonte, est mise en rotation à la fois par l'action des gaz d'échappement expulsés hors des cylindres grâce aux pistons, et par la combustion du mélange air/essence, qui crée une pression positive entre la soupape d'échappement et la turbine. La roue du compresseur, placée à l'intérieur du "côté froid", est composée d'un alliage léger qui permet de réduire la résistance à l'accélération en cherchant à avoir l'effet opposé du volant d'inertie, par exemple. Sa fonction est de comprimer l'air et de l'introduire dans le collecteur d'admission, fournissant aux cylindres un volume d'air supérieur à ce qu'un moteur atmosphérique pourrait aspirer dans la même unité de temps. Comme dit précédemment, les deux roues sont reliées par un arbre qui passe à travers le "core assy", le véritable cœur du turbo. En résumé, la turbine recueille l'énergie des gaz d'échappement et la transforme en énergie mécanique utile pour mettre en rotation le compresseur, et donc la rotation de la roue d'échappement entraîne simultanément celle d'admission qui comprime l'air entrant vers l'intercooler et le corps de papillon. Ce système est un ensemble hautement efficace qui utilise l'énergie résiduelle, autrement perdue, des gaz d'échappement pour fournir plus de puissance à notre moteur.

Pourquoi les moteurs turbo ne souffrent-ils pas de l'air raréfié ?

Grâce à ce système, les moteurs turbo ne souffrent pas des changements de pression atmosphérique car ils sont réglés à travers des capteurs de pression connus sous le nom de "wastegate" qui travaillent constamment sur les valeurs prédéfinies. Sur les voitures de route, on parle en moyenne de valeurs variables entre 0,5 bar et 1 bar de pression positive tandis que sur les voitures de course, on peut atteindre des pressions nettement plus élevées. Il suffit de penser que les voitures de course des années 80 atteignaient des pressions proches de 3 bars, tout cela évidemment au détriment de la fiabilité, mais à juste titre, si l'on est en course, le résultat de la conservation est plus important. La wastegate maintient la pression indiquée en faisant varier uniquement les tours par minute des deux roues, par exemple : au niveau de la mer, un turbo doit faire 1000 tr/min pour maintenir la pression à 1 bar, en montagne, pour maintenir la même pression, le turbo tournera à environ 15000 tr/min.

Mais qu'est-ce que la wastegate ?

La soupape wastegate est un composant fondamental pour un turbocompresseur. Ce dernier, recevant énormément d'énergie cinétique des gaz d'échappement, doit s'arrêter en atteignant la pression de fonctionnement prédéfinie par le constructeur pour ne pas dépasser cette limite afin d'éviter des ruptures indésirables. Cette soupape est commandée par la pression positive prise du côté froid qui pousse une membrane à ressort et, à travers un arbre mécanique, ouvre la soupape en enlevant la pression des collecteurs d'échappement, réduisant les tours des roues et la pression du compresseur.

Quelle différence y a-t-il entre les turbines à géométrie fixe et variable ?

Il existe en commerce cinq types de turbines que nous allons analyser dans cette vidéo : les single scroll, les twin scroll, celles à géométrie fixe, celles à géométrie variable et celles électriques. Les turbines à géométrie fixe sont celles que nous avons décrites précédemment et font en sorte que la turbine et le compresseur maintiennent un volume d'air fixe. Celles à géométrie variable, en revanche, ont des "pales mobiles" placées autour de la roue de la turbine avec la fonction de varier la section des canaux délimités par les pales elles-mêmes et l'angle d'incidence des gaz d'échappement. En termes simples, la position des pales détermine la vitesse du rotor du turbocompresseur. Le principal avantage de la géométrie variable par rapport à la géométrie fixe est la réduction du turbo lag qui a amélioré la linéarité de fonctionnement du moteur suralimenté par rapport, par exemple, à ce que l'on pouvait constater dans les premiers moteurs diesel turbocompressés. Le turbo lag consiste en le retard de la réponse de la turbine et il dérive du fait que le moteur à bas régime offre un flux limité de gaz d'échappement qui ne permet pas à la turbine fixe de transférer une rotation suffisante au rotor, empêchant le compresseur d'offrir au moteur les pressions utiles pour une augmentation concrète des valeurs de couple et de puissance. Avec la géométrie variable, une vitesse de rotation angulaire élevée du compresseur est en revanche garantie dès les bas régimes car les pales effectuent une restriction de la section dans laquelle les gaz influencent, garantissant une réponse rapide même au ralenti. À l'augmentation des tours moteur, les gaz d'échappement acquièrent de la vitesse en augmentant significativement les tours du rotor qui garantit une plus grande compression de l'air entrant dans le moteur. Cela à son tour permettra de fournir plus de puissance dès les bas régimes car la quantité de carburant que le système d'alimentation pourra fournir au propulseur sera plus grande grâce à l'augmentation d'oxygène introduit dans les cylindres. Arrivé à ce point, un cercle vicieux se déclenche : on aura plus de vitesse des gaz d'échappement qui produira plus de rotation du rotor et le compresseur enverra de l'air plus comprimé au moteur. Avec les anciens turbocompresseurs à géométrie fixe, on obtenait la situation opposée : une grosse masse de gaz d'échappement en entrée de la turbine produisait des contre-pressions élevées dans l'échappement avec l'effet de compliquer l'expulsion de ces derniers, augmentant donc la température de ces mêmes gaz avec la réduction effective du rendement du moteur. Cet effet négatif, dans le cas des turbocompresseurs à géométrie variable, est très limité : en fait, à l'augmentation des tours moteur (et donc du flux des gaz d'échappement), l'incidence des pales mobiles varie. La section de passage des gaz d'échappement augmente avec l'effet à la fois de "moduler" la vitesse de rotation de la turbine (en évitant son surrégime) et pour permettre un écoulement plus efficace des gaz d'échappement qui garantit de faibles valeurs de contre-pression dans le collecteur d'échappement. Les avantages ainsi obtenus sont multiples : consommation de carburant réduite et augmentation du rendement du moteur sur tout l'arc de fonctionnement du régime. Pour obtenir les avantages énumérés, il est important que le réglage de la géométrie variable soit très précis : dans le cas contraire, le fonctionnement du moteur ne serait pas régulier et pourrait provoquer une rupture précoce du turbocompresseur qui opérerait dans des conditions de sur-régime. Il est donc déterminant que l'électronique de gestion du moteur surveille efficacement la position prise par la géométrie variable. La géométrie variable est commandée par un actionneur qui se divise substantiellement en trois types principaux : actionneurs pneumatiques ; actionneurs électro-pneumatiques ; actionneurs électroniques.

Single scroll ou twin scroll ?

Vu la différence entre les turbines à géométrie fixe et les turbines à géométrie variable, passons à une autre solution adoptée pour réduire le lag de réponse des turbocompresseurs, les turbines twin scroll. Avant d'énumérer les avantages, clarifions ce que signifie le terme, imaginez le turbo traditionnel avec un seul collecteur d'échappement en entrée provenant des collecteurs 4 en 1, maintenant imaginez d'avoir les collecteurs 4 2 2, c'est-à-dire des collecteurs couplés deux par deux qui ne s'unissent pas ensemble jusqu'à la roue d'échappement, dans ce cas nous aurions les collecteurs et la roue twin scroll. Mais qu'est-ce que cela signifie ? Cela signifie nettoyer le flux des gaz d'échappement en sortie des cylindres, réduisant la contre-pression dans les collecteurs car les phases de combustion d'un 4 cylindres à certains instants avec les collecteurs 4 en 1 pourraient entraver la vitesse des flux augmentant la contre-pression et les températures. De cette façon, les gaz d'échappement arrivent beaucoup plus rapidement à la roue côté chaud sans perturbations mais ce n'est pas tout, il y a d'autres avantages. De cette façon, les flux provenant de chaque cylindre individuel seront bien distincts l'un de l'autre évitant que leurs pulsations puissent s'entraver mutuellement. Pour vous en donner un exemple, dans un moteur 4 cylindres avec l'ordre d'allumage 1-3-4-2, on regroupe les collecteurs 1 avec 4 et 2 avec 3 en cherchant à utiliser des collecteurs de longueur égale afin de ne pas générer différentes pertes de charge à cause de la longueur différente des mêmes collecteurs. En substance donc, les twin scroll travaillent avec plus de flux en exploitant la théorie des impulsions déjà très utile dans la gestion de la charge dans le cylindre. Au contraire, un turbocompresseur single scroll travaille avec un flux unique à pression constante. Le résultat est un turbo extrêmement prêt et capable d'éliminer les problèmes d'efficacité qui affligent les turbo single scroll aux bas régimes et aux charges élevées. Un autre avantage des twin scroll est l'adoption de collecteurs d'admission différents, donc en plus d'avoir des flux plus propres, nous pouvons avoir des flux dirigés de manière différente en cherchant à créer l'effet des turbo à géométrie variable. Avec les deux collecteurs d'admission différents dans le turbo, nous aurons un collecteur plus petit et dirigé de manière à aider la rotation de la roue aux bas régimes et un autre collecteur légèrement plus grand et angulé de manière à ne pas créer de drag aux gaz d'échappement aux hauts régimes.