Lorsque les gens parlent de voitures de course ou de voitures de sport hautes performances, le sujet des turbocompresseurs vient généralement. Les turbocompresseurs apparaissent également sur les gros moteurs diesel. Un turbo peut augmenter considérablement la puissance d'un moteur sans augmenter considérablement son poids, ce qui est l'énorme avantage qui rend les turbos si populaires !
Dans cet article, nous apprendrons comment un turbocompresseur augmente la puissance d'un moteur tout en survivant à des conditions de fonctionnement extrêmes. Nous apprendrons également comment les soupapes de décharge, les aubes de turbine en céramique et les roulements à billes aident les turbocompresseurs à faire encore mieux leur travail. Les turbocompresseurs sont un type de système à induction forcée . Ils compressent l'air circulant dans le moteur (voir Comment fonctionnent les moteurs de voiture pour une description du flux d'air dans un moteur normal). L'avantage de la compression de l'air est qu'elle permet au moteur de presser plus d'air dans un cylindre, et plus d'air signifie que plus de carburant peut être ajouté. Par conséquent, vous obtenez plus de puissance de chaque explosion dans chaque cylindre. Un moteur turbocompressé produit globalement plus de puissance que le même moteur sans la charge. Cela peut améliorer considérablement le rapport puissance/poids du moteur (voir Comment fonctionne la puissance pour plus de détails).
Afin d'obtenir ce boost, le turbocompresseur utilise le flux d'échappement du moteur pour faire tourner une turbine , qui à son tour fait tourner une pompe à air . La turbine du turbocompresseur tourne à des vitesses allant jusqu'à 150 000 rotations par minute (tr/min), soit environ 30 fois plus vite que la plupart des moteurs de voiture. Et comme il est relié à l'échappement, les températures dans la turbine sont également très élevées.
Continuez à lire pour savoir combien de puissance supplémentaire vous pouvez attendre de votre moteur si vous ajoutez un turbocompresseur.
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L'un des moyens les plus sûrs d'obtenir plus de puissance d'un moteur est d'augmenter la quantité d'air et de carburant qu'il peut brûler. Une façon de procéder consiste à ajouter des cylindres ou à agrandir les cylindres actuels. Parfois, ces changements peuvent ne pas être réalisables :un turbo peut être un moyen plus simple et plus compact d'ajouter de la puissance, en particulier pour un accessoire de rechange.
Les turbocompresseurs permettent à un moteur de brûler plus de carburant et d'air en en mettant plus dans les cylindres existants. La suralimentation typique fournie par un turbocompresseur est de 6 à 8 livres par pouce carré (psi). Étant donné que la pression atmosphérique normale est de 14,7 psi au niveau de la mer, vous pouvez voir que vous obtenez environ 50 % d'air en plus dans le moteur. Par conséquent, vous vous attendez à obtenir 50% de puissance en plus. Ce n'est pas parfaitement efficace, vous pourriez donc obtenir une amélioration de 30 à 40 % à la place.
Une des causes de l'inefficacité vient du fait que le pouvoir de faire tourner la turbine n'est pas gratuit. Avoir une turbine dans le flux d'échappement augmente la restriction dans l'échappement. Cela signifie que sur la course d'échappement, le moteur doit pousser contre une contre-pression plus élevée. Cela soustrait un peu de puissance aux cylindres qui tirent en même temps.
Le turbocompresseur est boulonné au collecteur d'échappement du moteur. L'échappement des cylindres fait tourner la turbine , qui fonctionne comme un moteur à turbine à gaz. La turbine est reliée par un arbre au compresseur , qui se situe entre le filtre à air et le collecteur d'admission. Le compresseur pressurise l'air entrant dans les pistons.
L'échappement des cylindres passe à travers les aubes de turbine , faisant tourner la turbine. Plus il y a d'échappement qui traverse les pales, plus elles tournent vite.
À l'autre extrémité de l'arbre auquel la turbine est fixée, le compresseur pompe l'air dans les cylindres. Le compresseur est un type de pompe centrifuge :il aspire l'air au centre de ses pales et le projette vers l'extérieur lorsqu'il tourne.
Afin de supporter des vitesses allant jusqu'à 150 000 tr/min, l'arbre de la turbine doit être soutenu très soigneusement. La plupart des roulements exploseraient à des vitesses comme celle-ci, donc la plupart des turbocompresseurs utilisent un palier fluide . Ce type de roulement supporte l'arbre sur une fine couche d'huile constamment pompée autour de l'arbre. Cela sert à deux fins :il refroidit l'arbre et certaines des autres pièces du turbocompresseur, et il permet à l'arbre de tourner sans trop de frottement.
Il existe de nombreux compromis impliqués dans la conception d'un turbocompresseur pour un moteur. Dans la section suivante, nous examinerons certains de ces compromis et verrons comment ils affectent les performances.
Trop de boost ?L'air étant pompé dans les cylindres sous pression par le turbocompresseur, puis comprimé davantage par le piston (voir Comment fonctionnent les moteurs de voiture pour une démonstration), il y a plus de risque de cognement. Cogner se produit parce que lorsque vous comprimez de l'air, la température de l'air augmente. La température peut augmenter suffisamment pour enflammer le carburant avant que la bougie ne se déclenche. Les voitures équipées de turbocompresseurs doivent souvent fonctionner avec du carburant à indice d'octane plus élevé pour éviter les cognements. Si la pression de suralimentation est vraiment élevée, il peut être nécessaire de réduire le taux de compression du moteur pour éviter les cognements.
L'un des principaux problèmes des turbocompresseurs est qu'ils ne fournissent pas une augmentation de puissance immédiate lorsque vous appuyez sur l'accélérateur. Il faut une seconde pour que la turbine atteigne sa vitesse avant que le boost ne soit produit. Cela se traduit par une sensation de décalage lorsque vous appuyez sur l'accélérateur, puis la voiture fonce vers l'avant lorsque le turbo se met en marche.
Une façon de réduire le décalage du turbo consiste à réduire l'inertie des pièces tournantes, principalement en réduisant leur poids. Cela permet à la turbine et au compresseur d'accélérer rapidement et de commencer à fournir une suralimentation plus tôt. Un moyen sûr de réduire l'inertie de la turbine et du compresseur est de réduire la taille du turbocompresseur. Un petit turbocompresseur fournira une suralimentation plus rapidement et à des régimes moteur inférieurs, mais peut ne pas être en mesure de fournir beaucoup de suralimentation à des régimes moteur plus élevés lorsqu'un volume d'air très important entre dans le moteur. Il risque également de tourner trop vite à des régimes moteur plus élevés, lorsque de nombreux gaz d'échappement traversent la turbine.
La plupart des turbocompresseurs automobiles ont un wastegate , qui permet l'utilisation d'un turbocompresseur plus petit pour réduire le décalage tout en l'empêchant de tourner trop rapidement à des régimes moteur élevés. La soupape de décharge est une soupape qui permet à l'échappement de contourner les aubes de turbine. La soupape de décharge détecte la pression de suralimentation. Si la pression devient trop élevée, cela pourrait être un indicateur que la turbine tourne trop rapidement, de sorte que la soupape de décharge contourne une partie de l'échappement autour des aubes de la turbine, permettant aux aubes de ralentir.
Certains turbocompresseurs utilisent des roulements à billes au lieu de paliers fluides pour supporter l'arbre de la turbine. Mais ce ne sont pas vos roulements à billes habituels - ce sont des roulements ultra-précis faits de matériaux avancés pour gérer les vitesses et les températures du turbocompresseur. Ils permettent à l'arbre de la turbine de tourner avec moins de friction que les paliers fluides utilisés dans la plupart des turbocompresseurs. Ils permettent également d'utiliser un arbre légèrement plus petit et plus léger. Cela aide le turbocompresseur à accélérer plus rapidement, réduisant encore le décalage du turbo.
Aubes de turbine en céramique sont plus légers que les lames en acier utilisées dans la plupart des turbocompresseurs. Encore une fois, cela permet à la turbine de tourner plus rapidement, ce qui réduit le décalage du turbo.
Certains moteurs utilisent deux turbocompresseurs de tailles différentes. Le plus petit tourne très rapidement, ce qui réduit le décalage, tandis que le plus gros prend le relais à des régimes plus élevés pour fournir plus de puissance.
Lorsque l'air est comprimé, il se réchauffe; et quand l'air se réchauffe, il se dilate. Ainsi, une partie de l'augmentation de pression d'un turbocompresseur est le résultat du chauffage de l'air avant qu'il n'entre dans le moteur. Afin d'augmenter la puissance du moteur, l'objectif est de faire entrer plus de molécules d'air dans le cylindre, pas nécessairement plus de pression d'air.
Un refroidisseur intermédiaire ou refroidisseur d'air de suralimentation est un composant supplémentaire qui ressemble à un radiateur, sauf que l'air passe à l'intérieur et à l'extérieur de l'intercooler. L'air d'admission passe par des passages scellés à l'intérieur du refroidisseur, tandis que l'air plus frais de l'extérieur est soufflé à travers les ailettes par le ventilateur de refroidissement du moteur.
Le refroidisseur intermédiaire augmente encore la puissance du moteur en refroidissant l'air sous pression sortant du compresseur avant qu'il n'entre dans le moteur. Cela signifie que si le turbocompresseur fonctionne à une pression de 7 psi, le système de refroidissement intermédiaire injectera 7 psi d'air plus frais, qui est plus dense et contient plus de molécules d'air que l'air plus chaud.
Un turbocompresseur aide également à haute altitude , où l'air est moins dense. Les moteurs normaux connaîtront une puissance réduite à haute altitude car pour chaque coup de piston, le moteur recevra une masse d'air plus petite. Un moteur turbocompressé peut également avoir une puissance réduite, mais la réduction sera moins spectaculaire car l'air plus fin est plus facile à pomper pour le turbocompresseur.
Les voitures plus anciennes équipées de carburateurs augmentent automatiquement le débit de carburant pour correspondre à l'augmentation du débit d'air entrant dans les cylindres. Les voitures modernes à injection de carburant le feront également jusqu'à un certain point. Le système d'injection de carburant s'appuie sur des capteurs d'oxygène dans l'échappement pour déterminer si le rapport air-carburant est correct, de sorte que ces systèmes augmenteront automatiquement le débit de carburant si un turbo est ajouté.
Si un turbocompresseur avec trop de boost est ajouté à une voiture à injection de carburant, le système peut ne pas fournir suffisamment de carburant - soit le logiciel programmé dans le contrôleur ne le permet pas, soit la pompe et les injecteurs ne sont pas capables de le fournir. Dans ce cas, d'autres modifications devront être apportées pour tirer le meilleur parti du turbocompresseur.
Publié à l'origine :4 décembre 2000
