Avez-vous entendu parler du dispositif d’entrée haute puissance dans un moteur à combustion interne, eh bien, le secret est le turbocompresseur . Il est également connu sous le nom de turbo qui a été inventé au début du XXe siècle par un ingénieur suisse, Alfred Buchi. Il a présenté un prototype pour augmenter la puissance des moteurs diesel.
Aujourd’hui, la turbocompression est devenue un dispositif standard pour la plupart des moteurs essence et diesel. Des recherches sont toujours en cours pour améliorer la conception des turbocompresseurs afin d’obtenir de meilleures performances à des coûts de fabrication inférieurs. Même si les contraintes induites par les vibrations et les performances des roulements sont des facteurs de défaillance majeurs. Pour cette raison, une analyse rotodynamique devrait être une partie importante du processus de conception du turbocompresseur, enfin, peut-être !
Dans un moteur d’automobile, la puissance est produite dans la chambre de combustion avec un mélange carburant/air d’admission, n’est-ce pas ? Après la compression, il libère le mélange sous forme de gaz d’échappement qui deviennent des déchets et provoquent même une pollution de l’atmosphère. Mais au lieu de rendre les gaz d’échappement inutiles, le turbocompresseur les utilise pour faire tourner le moteur plus vite. Laisse-moi expliquer.
Aujourd’hui, nous examinerons la définition, les fonctions, les applications, les pièces, l’historique, le schéma, les types, le principe de fonctionnement ainsi que les avantages et les inconvénients d’un turbocompresseur. Cet article est vaste, je vous invite donc à le lire pour acquérir les connaissances.
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Définition du turbocompresseur
Un turbocompresseur est un dispositif d’induction de force entraîné par turbine qui augmente l’efficacité et la puissance des moteurs à combustion interne en forçant de l’air comprimé supplémentaire dans la chambre de combustion. Cette induction d’air chaud semble fonctionner car le compresseur peut forcer plus d’air et proportionnellement plus de carburant dans la chambre de combustion que la pression atmosphérique normale.
Un turbocompresseur est un dispositif installé sur le moteur d’un véhicule afin d’améliorer le rendement global et d’augmenter les performances du moteur. Les turbocompresseurs étaient à l’origine connus sous le nom de turbocompresseurs , car tous les dispositifs à induction forcée sont classés comme superchargeurs. Un compresseur est un terme donné à un dispositif à induction forcée à entraînement mécanique.
La différence entre un turbocompresseur et un compresseur conventionnel réside dans le fait qu’un turbocompresseur est alimenté par une turbine entraînée par les gaz d’échappement d’un moteur. Alors qu’un compresseur est entraîné mécaniquement par le vilebrequin du moteur, souvent relié à une courroie. Cependant, les turbocompresseurs sont plus efficaces mais moins réactifs. Le terme Twin-charger fait référence à un moteur doté d’un turbocompresseur et d’un compresseur.
Histoire
Bref historique des turbocompresseurs, le mérite revient au fondateur Alfred J Buchi (1879 – 1932) qui était employé dans un atelier d’ingénierie automobile par la Gebruder Sulzer Engine Company de Winterthur, en Suisse. Le projet a été développé un an avant la Première Guerre mondiale et a été breveté en Allemagne en 1905. Il a continué à développer le projet jusqu’à sa mort après quatre décennies.
Certains autres ingénieurs méritent également d’être crédités pour le projet de turbocompresseur. Quelques années plus tôt, Sir Dugald Clark (1854 – 1932) était un inventeur écossais du moteur à deux temps. il a expérimenté la séparation des étapes de compression et de détente de la combustion interne en utilisant deux cylindres séparés.
Son expérience fonctionnait comme une suralimentation, augmentant à la fois le débit d’air dans les cylindres et la quantité de carburant pouvant être brûlée. D’autres ingénieurs comme Louis Renault, Gottlieb Daimler et Lee Chadwick participent également aux systèmes de suralimentation.
Fonctions du turbocompresseur
La fonction principale d’un turbocompresseur est d’augmenter l’efficacité de fonctionnement d’un moteur automobile. Vous trouverez ci-dessous les raisons pour lesquelles le turbo existera toujours malgré certaines de ses limites.
- Un punch supplémentaire est fourni, sans augmenter la cylindrée du moteur.
- Faites tourner le moteur plus rapidement sans augmenter le taux de combustion du carburant.
- Utilisez l’oxyde de carbone II (gaz d’échappement) au lieu de polluer.
Applications du turbocompresseur
Un turbocompresseur est couramment utilisé dans les moteurs automobiles comme les camions, les voitures, les trains, les avions et les engins de construction. la version moderne des moteurs à combustion interne à cycle Otto et à cycle Diesel est équipée de turbocompresseurs.
Voyons maintenant quelques applications des turbocompresseurs :
Voitures à essence et diesel : comme mentionné précédemment, les voitures turbocompressées sont courantes pour les voitures à essence et diesel afin d’augmenter leur puissance de sortie pour une capacité donnée. Cela augmente également le rendement énergétique, permettant un moteur de plus petite cylindrée. Ces moteurs perdent du poids d’environ 10 % et permettent d’économiser jusqu’à 30 % de consommation de carburant tout en délivrant la même puissance maximale.
La première voiture de tourisme turbocompressée était l’option Oldsmobile Jetfire. Il utilise le composant d’un 215 cu dans un V8 tout aluminium et sur des produits Chevrolet appelés corsaires. Il s’appelait initialement moteur six cylindres à plat refroidi Monza Spyder.
Les voitures diesel dépendent largement des turbocompresseurs pour améliorer l’efficacité, la maniabilité et les performances des moteurs diesel. Il est produit sur une voiture de tourisme Mercedes à turbocompresseur Garrett introduite en 1978.
Camions : pour le même avantage, les moteurs diesel des camions sont équipés d’un turbocompresseur depuis 1938.
Avions : Au fil des années, l’effet des turbocompresseurs augmente également l’efficacité des avions.
Motos : la plupart des entreprises japonaises produisent des motos hautes performances dotées d’un turbocompresseur depuis le début des années 1980. Bien qu’il existe peu de motos turbocompressées, cela est dû à l’abondance de cylindrées plus importantes. Le moteur atmosphérique est disponible et offre les avantages de couple et de puissance d’un moteur de plus petite cylindrée avec turbocompresseur, mais renvoie des caractéristiques de puissance plus linéaires.
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Pièces de turbocompresseurs
Vous trouverez ci-dessous les principales pièces d’un turbocompresseur et leurs fonctions :
- Cartouches (noyaux de turbocompresseur entièrement assemblés et équilibrés)
- Actionneurs à vide et actionneurs pneumatiques
- Actionneurs électroniques (servomoteurs électriques)
- Carters de compresseur (les carters de la section/pièce froide du turbocompresseur)
- Kits de réparation de turbocompresseur (kits/jeux de pièces de rechange pour une réparation mineure rapide)
- Roues de compresseur (roues de compresseur de turbocompresseur)
- Arbre et roues (arbres de turbocompresseur avec roue de turbine, rotors de turbine)
- Boîtiers d’anneau de buse (boîtiers pour éléments de contrôle de géométrie VNT)
- Boîtiers de roulement (boîtiers de cartouche, boîtiers de noyau Turbo)
- Plaques arrière (plaque de noyaux de turbocompresseur du côté compresseur)
- Anneaux de buse VNT (anneaux avec buses pour turbocompresseurs VNT, nœuds de contrôle de géométrie VNT)
- Boucliers thermiques (boucliers thermiques du noyau du turbocompresseur)
- Kits de joints (kits/jeux de joints de turbocompresseur)
- Capteurs d’actionneurs (capteurs de pression, capteurs de position)
- Joints VNT (joints internes pour turbocompresseurs VNT)
- Carters de turbine (les carters de la section/pièce chaude du turbocompresseur)
- Pièces d’actionneurs électroniques (moteurs électriques, arbres, engrenages de servomoteurs de turbocompresseur).
Types de turbocompresseurs
Voici les différents types de turbocompresseurs qui existent :
Turbo simple :
Le turbo simple est le type de turbocompresseur le plus simple, le plus courant et le moins cher qui existe. Il a une variabilité illimitée et étant un turbo plus petit, il offre un meilleur grognement bas de gamme car il tourne plus rapidement. Le turbo simple est doté d’un roulement à billes et d’un palier lisse qui offrent moins de friction pour la rotation du compresseur et de la turbine.
Les avantages des turbocompresseurs simples sont que les moteurs plus petits peuvent également être équipés d’un turbo, la rentabilité est également prise en compte, la simplicité et la facilité d’installation. Cela augmente également l’efficacité du moteur.
Certaines limitations subsistent malgré ses avantages, notamment : ayant une plage de régime efficace assez étroite. Les turbos simples posent problème car il faut choisir entre une meilleure puissance à haut régime ou un bon couple à bas régime. Enfin, la réponse peut être lente par rapport aux autres types de turbo.
Twin Turbos :
Le biturbo est une autre option qui permet d’avoir un seul turbocompresseur pour chaque rangée de cylindres (v8, v12, etc.). Alternativement, un seul turbocompresseur pourrait être utilisé pour un bas régime et remplacé par un turbocompresseur plus gros pour un régime élevé. Deux turbos de taille similaire, l’un étant utilisé à bas régime et les deux à régime plus élevé (14, 16). Les BMW x5 M et x6 M utilisent des turbos à double volute, un de chaque côté du v8.
L’avantage du biturbo est lorsqu’il est séquentiel ou sur turbo à bas régime et les deux à haut régime. Il permet des courbes de couple plus larges et plus plates et un meilleur couple à bas régime, mais la puissance ne diminue pas à haut régime comme un simple turbo. Les limites de ces turbocompresseurs incluent le coût et la complexité, car le composant est presque doublé. Et il existe d’autres alternatives pour obtenir un résultat similaire, mais plus légères.
Turbo à double défilement :
Dans presque tous les domaines, les turbocompresseurs à double volute sont meilleurs que les turbocompresseurs à simple volute, car lors de l’utilisation de deux volutes, les impulsions d’échappement sont divisées. Par exemple, dans les moteurs à quatre cylindres ayant des ordres d’allumage de 1, 3, 4, 2, les cylindres 1 et 4 peuvent être alimentés vers une volute d’un turbo. Alors que les cylindres 2 et 3 sont alimentés vers des volutes séparées. Le but de ces types de turbocompresseur est d’obtenir un chevauchement dans le cylindre. Disons que le cylindre termine sa course motrice lorsque le piston atteint le point mort bas et que la soupape d’échappement s’ouvre. Pendant ce temps, le cylindre deux termine sa course d’échappement en fermant la soupape et en ouvrant la soupape d’admission.
Un collecteur turbo traditionnel à simple volute est assez différent, la pression d’échappement du cylindre un interférera avec le cylindre deux aspirant l’air frais car les deux soupapes d’échappement sont temporairement ouvertes. Cela réduit la pression atteignant le turbo et interfère avec la quantité d’air aspirée par le deuxième cylindre.
Les avantages du turbocompresseur sont que plus d’énergie est envoyée à la turbine d’échappement et qu’une plage de régime de suralimentation efficace plus large est atteinte. Cela est dû aux différentes conceptions de parchemins. Fondamentalement, il y a plus de chevauchement des soupapes sans entraver le balayage des gaz d’échappement, ce qui conduit à une plus grande flexibilité de réglage.
Les limites sont que le coût et la complexité sont élevés par rapport aux turbos simples et nécessitent une configuration de moteur et une conception d’échappement spécifiques.
Turbocompresseur à géométrie variable (VGT) :
Les types de turbocompresseurs à géométrie variable sont courants sur les moteurs diesel et leur production est limitée. Cela est dû à son coût et aux exigences en matière de matériaux exotiques. Les aubes internes du turbocompresseur modifient le rapport A/R surface/rayon pour correspondre au régime. Autrement dit, à bas régime, un faible rapport A/R est utilisé pour augmenter la vitesse des gaz d’échappement et accélérer rapidement le turbocompresseur. Si le régime grimpe, le rapport A/R augmente afin d’augmenter le débit d’air, ce qui entraîne un faible décalage du turbo. Cela conduit également à un seuil de suralimentation faible et à une plage de couple large et douce.
L’avantage de ce type de turbo est qu’une courbe de couple large et plate est produite. Ce qui est efficace sur une très large plage de régime. Il nécessite un seul turbo, simplifiant une configuration turbo séquentielle en quelque chose de plus compact. Ses limites sont qu’il n’est utilisé que dans les applications diesel où les gaz d’échappement sont plus faibles afin que les aubes ne soient pas détruites par la tête. En utilisant le turbo sur un moteur à essence, des métaux exotiques coûteux seront utilisés afin de maintenir la fiabilité.
Turbocompresseur variable à double volute :
Le turbo variable à double volute est nettement moins cher que les VGT, ce qui en fait un choix préférable pour le turbocompresseur à essence. Il combine un VGT avec une configuration à double volute, ainsi, à faible révolution, l’une des volutes est complètement fermée, forçant tout l’air dans l’autre. Au fur et à mesure que le moteur accélère, une soupape s’ouvre pour permettre à l’air de pénétrer dans l’autre volute, et de bonnes performances haut de gamme sont obtenues.
Les avantages du turbocompresseur sont qu’il permet une courbe de couple large et plate et qu’il est de conception plus robuste que le VGT. Le coût et la complexité sont également ses limites et la technologie était auparavant indésirable.
Turbocompresseurs électriques :
Avec l’application d’un moteur électrique dans un turbocompresseur, il améliore ses fonctionnalités et donne un coup de pouce instantané au moteur. Le couple à bas régime est facilement produit et le décalage est éliminé. Ce turbocompresseur est tout simplement le meilleur de tous, peut-être qu’une nouvelle version pourrait le faire tomber.
ses avantages sont qu’une plage de régime efficace plus large avec un couple uniforme est produite. L’énergie gaspillée est récupérée grâce à un moteur électrique connecté directement à la turbine d’échappement. Et comme mentionné précédemment, le décalage du turbo et l’insuffisance des gaz d’échappement peuvent être pratiquement éliminés en faisant tourner le compresseur avec de l’énergie électrique lorsque cela est nécessaire.
La complexité et le coût sont quelques-uns des inconvénients du turbocompresseur, car la prise en compte du moteur électrique est désormais incluse. L’emballage et le poids sont également un problème, notamment avec l’ajout d’une batterie embarquée, qui fournit suffisamment de puissance au turbo en cas de besoin. Des avantages similaires peuvent être obtenus à partir d’autres types comme les VGT ou les Twin Scrolls.
Principe de fonctionnement
Avoir une connaissance de base du fonctionnement d’un moteur à réaction et comprendre les voitures équipées d’un turbocompresseur sera beaucoup plus facile. Laissez-moi vous expliquer, un moteur à réaction aspire de l’air frais à l’avant et l’utilise dans la chambre pour se mélanger et brûler avec le carburant. Il souffle ensuite de l’air chaud dans son dos. Le chaud rugit devant une turbine constituée d’un moulin à vent métallique compact, qui entraîne le compresseur (pompe à air) situé à l’avant du moteur. le moteur l’utilise pour pousser de l’air dans le moteur afin que le carburant brûle correctement.
Un processus similaire est appliqué au turbocompresseur d’un moteur à pistons de voiture. les gaz d’échappement sont utilisés pour entraîner la turbine, qui fait tourner un compresseur d’air qui pousse de l’air supplémentaire dans les cylindres. Cela fait brûler plus de carburant en quelques secondes, c’est pourquoi une voiture turbocompressée peut produire plus de puissance. C’est plus d’énergie par seconde.
Les turbocompresseurs sont constitués de deux moitiés reliées entre elles par un arbre. L’un d’eux contient une turbine qui est entraînée par les gaz d’échappement chauds, l’autre contient également une turbine qui aspire l’air et le comprime dans le moteur. Cette compression offre une puissance et une efficacité supplémentaires au moteur. À mesure que davantage d’air pénètre dans la chambre de combustion, davantage de carburant est ajouté, ce qui produit une puissance supplémentaire.
A noter que l’air comprimé est chaud, moins dense et qu’il monte au dessus des radiateurs. Cet air chaud est moins efficace pour aider le carburant à brûler. Pour cette raison, l’air provenant du compresseur doit être refroidi avant d’entrer dans les cylindres. C’est pourquoi l’air chaud du compresseur passe sur un échangeur de chaleur qui élimine la chaleur supplémentaire avant de pénétrer dans la chambre de combustion.
D’où vient la puissance supplémentaire et combien vous pouvez en obtenir
La plupart des gens pensent qu’un moteur à turbine offre une puissance supplémentaire grâce aux gaz d’échappement reçus, mais ce n’est pas vrai. Les gaz d’échappement sont utilisés pour entraîner le compresseur qui transfère l’air vers la chambre de combustion, permettant au moteur de brûler plus de carburant chaque seconde. La puissance supplémentaire est obtenue à partir du carburant supplémentaire qui est brûlé plus rapidement.
La quantité de puissance supplémentaire fournie par le turbocompresseur est déterminée par la taille des composants. Les turbocompresseurs peuvent être améliorés pour rendre le moteur plus puissant, en fonction de la puissance souhaitée. Mais il y a une limite à l’amélioration. Les cylindres sont si gros qu’ils peuvent recevoir beaucoup d’air et de carburant à mélanger.
Avantages et inconvénients des turbocompresseurs
Avantages :
Voici les avantages des turbocompresseurs :
- Une puissance supplémentaire est offerte au moteur.
- La puissance gratuite est fournie au moteur à l’aide des gaz d’échappement. il ne nécessite aucune puissance moteur pour le conduire.
- Il est utilisé dans les moteurs diesel et essence.
- Améliorer le rendement énergétique des moteurs.
Désavantages:
Malgré les avantages des turbocompresseurs, deux limitations principales subsistent. Voici les inconvénients du turbocompresseur :
L’un des gros problèmes d’un turbocompresseur est connu sous le nom de turbo lag. Cela se produit lorsque l’accélérateur est enfoncé, le moteur met du temps à accélérer. Autrement dit, les turbocompresseurs mettent du temps à refléter le régime du moteur. Lorsque le régime du moteur est faible, il n’y a pas suffisamment de gaz d’échappement pour faire tourner le compresseur et fournir la puissance nécessaire. L’échappement requis sera créé après avoir appuyé sur l’accélérateur. Cet effet est réduit en rétrogradant à un rapport inférieur, mais les conducteurs experts remarquent parfois un retard de réponse.
La deuxième limitation des turbocompresseurs est qu’ils ne se produisent pas dans les conditions de conduite quotidiennes. Cela n’arrive que lorsque le moteur est poussé dans ses retranchements. La chaleur produite par les gaz d’échappement devient très chaude et fait briller le turbocompresseur en rouge. C’est pourquoi la plupart des voitures de sport turbocompressées sont conçues avec des bouches d’aération en bas du moteur. Cet évent maintient une circulation d’air constante et refroidit les pièces.
En conclusion, nous vous avons exposé les différentes fonctions des turbocompresseurs. L’un d’eux consiste à augmenter le fonctionnement et le rendement énergétique des moteurs. Nous voyons également les différents types de turbos et leur principe de fonctionnement. Les avantages et les inconvénients sont également révélés. J’espère que les connaissances seront acquises, si tel est le cas, veuillez commenter, partager et recommander ce site à d’autres étudiants techniques. Merci!