Thèmes:
- Opération
- Trou turbo
- Bi-turbo
- Tri-turbo
- Turbo à double volute
- Turbo à géométrie variable
- Soupape de décharge
- wastegate
- Intercooler
- Caractéristique du compresseur (surtension et starter)
- Combinaison turbo et compresseur
- Turbo électronique
Opération:
Les gaz d'échappement sortant des cylindres sont acheminés du collecteur d'échappement vers le turbo. La pression des gaz d'échappement fait tourner la roue de la turbine (les gaz rouges). Les gaz d’échappement sortent ensuite du turbo via la même roue de turbine jusqu’à l’échappement. La roue du compresseur est entraînée au moyen d'un arbre (les gaz bleus). La roue du compresseur aspire l'air par le côté (là où est représenté le filtre à air) et le refoule sous pression (via la flèche bleue) via le tuyau turbo vers le intercooler. Le refroidisseur intermédiaire refroidit l'air comprimé (le moteur fonctionne mieux avec de l'air plus frais). L'air entre ensuite dans le collecteur d'admission.
Lors de l'utilisation d'un turbo, plus d'air pénètre dans les cylindres pendant la course d'admission qu'avec un moteur atmosphérique, qui n'est aspiré que parce que le piston se déplace vers le bas. En fournissant ainsi plus d’air aux cylindres et en ajoutant plus de carburant, une puissance plus élevée sera disponible.
La pression du turbo est mesurée par le capteur de pression de suralimentation. La pression du turbo est ajustée en fonction du signal que ce capteur envoie à l'ECU.
Le turbo est monté le plus près possible après le collecteur d'échappement. Parfois, le collecteur et le turbo sont conçus comme un tout. Le turbo doit être monté le plus près possible de la culasse, car la vitesse des gaz d'échappement diminue le moins possible et la perte de pression est la plus faible possible.
Décalage du turbo :
Les turbos plus anciens souffrent souvent du fameux turbo lag. Le turbo fonctionne sur les gaz d’échappement du moteur. Si la pédale d'accélérateur est enfoncée jusqu'en bas d'un seul coup, le moteur a besoin de beaucoup d'air à bas régime, mais à ce moment-là, le turbo doit encore démarrer à partir des gaz d'échappement qui sont libérés. Le turbo ne fournit pas encore assez de pression. Ce n’est que lorsque le moteur atteint un régime plus élevé que le turbo démarre correctement. Cela se produit généralement vers 2000 XNUMX tr/min et se remarque car la voiture accélère plus fort.
Ce décalage du turbo est considéré comme un inconvénient majeur. En conséquence, de nombreuses personnes sont favorables à un compresseur mécanique. Celui-ci fonctionne en permanence, car il est entraîné directement par le vilebrequin et donc toujours à la même vitesse que celle du moteur. Un compresseur fournira immédiatement la pression du régime de ralenti lorsque vous accélérez. Les turbos intégrés dans les voitures aujourd'hui sont moins concernés, en partie grâce au turbo variable.
Bi-turbo :
L'ajout « twin-turbo » indique la présence de deux turbos. Ces 2 turbos peuvent être situés l'un à côté de l'autre sur 1 rangée de cylindres, soit 1 turbo par rangée de cylindres. Cela donne au conducteur l'avantage d'un couple plus important à bas régime, de meilleures performances à haut régime et d'un caractère moteur plus doux. À basse vitesse, l'air est ensuite fourni au moteur par un petit turbo et à des vitesses plus élevées, le plus gros turbo devient fonctionnel. Le turbo plus gros a un retard de turbo plus important, car il a besoin de plus d'air pour démarrer, mais celui-ci est ensuite annulé par le petit turbo.
Les quatre images ci-dessous décrivent les situations dans lesquelles les deux turbos fonctionnent, ou bien lorsqu'un seul des deux fonctionne. Les quatre cercles sont les cylindres, les parties rouges et bleues sont les gaz d'échappement et l'air d'admission. Le refroidisseur intermédiaire est marqué « IC ».
Faible régime moteur et faible charge moteur :
À des vitesses inférieures à 1800 XNUMX tr/min, il y a un faible débit volumique de gaz d’échappement. Le petit volume permet d'utiliser le petit turbo. La vanne entre le collecteur d'échappement et le gros turbo est fermée. Les gaz d'échappement sont donc transférés uniquement du petit vers le gros turbo. Le gros turbo est déjà monté en puissance. Il s'agit d'une connexion en série, car les deux turbos sont utilisés.
Régime moteur moyen et charge modérée :
Entre 1800 et 3000 tr/min la soupape entre le collecteur d'échappement et le gros turbo s'ouvre. Actuellement, les deux turbos sont entraînés directement par les gaz d’échappement du moteur. Il s'agit également d'une connexion en série, car les deux turbos sont utilisés.
Régime moteur élevé et charge élevée :
Au-dessus de 3000 tr/min, le débit volumique des gaz d'échappement devient trop important pour le petit turbo. Le turbo est désactivé afin de ne pas franchir ce que l'on appelle la « chokeline » (voir le chapitre sur les caractéristiques du compresseur plus bas dans la page). La soupape de décharge du petit turbo est ouverte, de sorte que tous les gaz d'échappement acheminés vers le turbo passent au-delà du turbo. Les gaz d’échappement n’atteignent alors pas la roue du compresseur.
Le gros turbo est entièrement alimenté en gaz d’échappement. La soupape reste ouverte, afin que le gros turbo puisse atteindre un régime élevé et ainsi déplacer beaucoup d'air d'admission vers le collecteur d'admission.
Tri-turbo :
De nos jours, des moteurs « tri-turbo » sont également fabriqués. Trois turbos sont montés sur ces moteurs, de sorte qu'un niveau de remplissage maximal puisse être atteint dans chaque plage de régime. BMW utilise la technologie tri-turbo avec, entre autres, la M550d. Les deux petits turbos utilisent une géométrie variable, ils conviennent donc aussi bien aux basses qu'aux hautes vitesses. En fonction de la vitesse, le turbo est ajusté pour une meilleure réponse. Le gros turbo utilise une wastegate.
Deux situations sont décrites ci-dessous, indiquant quel turbo est en fonctionnement à quel moment.
Faible régime moteur et faible charge :
Un seul des deux petits turbos est entraîné. En raison de la taille du turbo, il s'enroule rapidement. Le petit turbo transmet les gaz d'échappement au gros turbo. Cela démarrera déjà le gros turbo.
Régime et charge moteur moyens et élevés :
Les deux petits turbos sont entraînés. Les deux petits turbos entraînent le gros turbo. Cela permet d'obtenir une pression de suralimentation maximale à tous les régimes moyens et élevés.
Turbo à double défilement :
Lorsque plusieurs gaz d'échappement se rejoignent dans le collecteur d'échappement, des problèmes d'interférence peuvent survenir ; les ondes de pression se gênent. Avec un turbo Twin-scroll, les gaz d'échappement sont séparés les uns des autres et guidés dans le turbo par deux canaux. Les gaz d'échappement des cylindres 1 et 2 ne se rejoignent pas dans le collecteur d'admission, mais frappent la roue de turbine indépendamment l'un de l'autre. L'application d'un turbo à double défilement entraîne une réponse plus rapide de l'accélérateur et une efficacité plus élevée. L'image ci-dessous montre que les gaz d'échappement des cylindres 1 et 4 se rejoignent, et ceux des cylindres 2 et 3 se rejoignent.
Avec un turbo classique, les gaz d'échappement entrent en contact les uns avec les autres dans le collecteur d'échappement. Nous appelons cela une « ingérence ». L'image ci-dessous montre les impulsions de pression créées dans le collecteur d'échappement d'un cylindre.
Parce que nous avons affaire à un chevauchement des soupapes (les soupapes d'admission et d'échappement sont toutes deux ouvertes lors du passage de la course d'échappement à la course d'admission), des pressions négatives sont également créées (inférieures à la pression atmosphérique). Grâce au chevauchement des soupapes, les gaz d'échappement contribuent à attirer de l'air frais dans la chambre de combustion et à chasser les gaz d'échappement restants. Cela alimente le peigne de combustion avec plus d'oxygène, de sorte que l'efficacité volumétrique augmente.
Quand on regarde les pressions dans le collecteur d’échappement d’un moteur quatre cylindres, on constate de nombreuses interférences. Chaque impulsion positive devient moins élevée en raison de la pression négative due au chevauchement des vannes. C'est un inconvénient du turbo lag (temps de réaction pour s'enrouler)
L'utilisation du turbo à double volute améliore le temps de réponse, car les gaz d'échappement des cylindres 1+4 et 2+3 sont séparés. Les impulsions sont beaucoup plus fortes car elles ne sont pas affectées par les impulsions négatives à ce moment-là. Le fabricant peut donc également augmenter la durée de chevauchement des vannes pour obtenir une efficacité volumétrique encore plus élevée.
Turbo à géométrie variable :
Un turbo avec une wastegate souffre d’un turbo lag ; Ce n'est que lorsque le moteur tourne à un certain nombre de tours que le turbo est alimenté en gaz d'échappement suffisants pour entrer en fonctionnement. Un turbo à géométrie variable n'a pas de wastegate, mais possède des pales réglables dans le canal d'échappement. Ces lames peuvent être ajustées en tournant une bague de réglage. Cette bague de réglage est mise en rotation au moyen d'un vide. La quantité de vide requise est fournie par une électrovanne (électrovanne) basée sur la charge du moteur et le régime moteur, qui est contrôlée par l'ECU.
En ajustant les pales, le flux d’air peut être dirigé. En raison d'une modification du débit d'air, le turbo peut déjà tourner à une vitesse plus élevée à bas régime, y compris à des pressions de gaz d'échappement plus faibles. La position des pales limite la quantité de gaz d’échappement pouvant entrer. Afin de pouvoir fonctionner à des vitesses plus élevées, les pales seront ajustées vers l’intérieur à un régime moteur plus élevé. Une pression de remplissage élevée peut être obtenue à des vitesses faibles et élevées. Cela garantit que le turbo fonctionne de manière optimale sur une large plage de régime, car le moteur recevra la même pression de suralimentation à faible régime qu'à régime plus élevé.
Soupape de décharge :
La soupape de décharge est également appelée « soupape de décharge ». La soupape de décharge est montée sur un tuyau turbo, où l'air est acheminé du turbo vers le côté admission du moteur. En accélération, le turbo d'une voiture particulière peut atteindre 200.000 XNUMX tours par minute. A cette vitesse, la pression de charge maximale est atteinte. Lorsque la pédale d’accélérateur est relâchée d’un seul coup, il y a une pression d’air abondante du côté admission du moteur, mais le papillon des gaz est fermé.
Sans soupape de décharge, une contre-pression est créée vers le turbo, ce qui amène l'air de suralimentation fourni à réduire rapidement la vitesse du turbo. Lorsque vous accélérez à nouveau, le turbo met beaucoup de temps à reprendre sa vitesse. La soupape de décharge empêche cela. Lorsque le gaz est libéré, il expulse une certaine quantité d’air fourni. L'excès d'air a alors disparu du système d'admission. Les pales du turbo ne sont pas ralenties et démarreront donc plus rapidement lorsque l'accélérateur sera à nouveau accéléré. La vanne de décharge se ferme immédiatement lorsque l'air fourni a été évacué. Contrairement à ce que beaucoup pensent, une dump valve ne fournit pas plus de puissance.
La soupape de décharge provoque le bruit de soufflage typique lorsque le gaz est libéré lors de l'accélération dans une voiture équipée d'un turbo.
Wastegate :
Une wastegate est montée sur chaque turbo sans aubes variables. La wastegate garantit que la pression dans le carter de turbine (c'est-à-dire du côté échappement) ne devient pas trop élevée. Lorsque le turbo fonctionne et que la pression monte, la soupape de décharge est fermée. Tout l’air qui quitte les cylindres pendant la course d’échappement est en réalité utilisé pour entraîner la roue de la turbine. Ceci atteint la pression de remplissage maximale.
Cependant, au ralenti, aucune pression de suralimentation n'est requise. À ce moment-là, la wastegate s’ouvre. Une partie des gaz d'échappement est détournée vers l'échappement ; il peut s'écouler directement vers l'échappement. La wastegate est essentiellement une valve située entre le collecteur d'échappement et l'échappement du moteur ; tout l'air qui passe par la wastegate ne passe pas par le turbo. L’énergie disponible n’est donc en principe pas utilisée. Le nom de la wastegate peut donc également être expliqué ; « Waste » signifie « perte » en anglais.
La wastegate s'ouvre également lorsqu'une certaine vitesse est atteinte ; Lors de l'accélération, le turbo doit accélérer rapidement, mais lorsque la turbine, y compris la roue du compresseur, atteint une certaine vitesse, cette vitesse doit rester constante. En ouvrant la soupape de décharge à cette vitesse, l'excès de gaz d'échappement peut être dirigé directement vers l'échappement. La vitesse du turbo peut être contrôlée en ajustant l’angle d’ouverture de la wastegate. L'ECU régule en fonction des données du capteur de pression de suralimentation la mesure dans laquelle la wastegate est contrôlée.
Refroidisseur intermédiaire :
La température de l'air comprimé peut devenir très chaude (plus de 60 degrés Celsius). Pour une meilleure combustion, l'air doit se refroidir. Le refroidisseur intermédiaire s'en charge. Le refroidisseur intermédiaire est une pièce distincte et est donc décrit en détail sur une autre page ; voir la page intercooler.
Caractéristique du compresseur (surtension et starter)
Lors de la conception d’un moteur, la taille du turbo doit être prise en compte. Faire correspondre la taille du turbo au moteur est appelé « matching ». Si le turbo est trop gros, un « écart turbo » important se produira. Le turbo démarrera moins vite car le carter de turbine est trop grand pour la faible quantité de gaz d'échappement. Ce n’est qu’à des vitesses plus élevées que le turbo sera à la hauteur et pourra fournir une pression élevée. Si le turbo est trop petit, le turbo lag sera quasiment inexistant. La roue de turbine démarrera rapidement avec une petite quantité de gaz d'échappement. Une pression turbo élevée est déjà atteinte à bas régime. L'inconvénient est qu'à des régimes plus élevés, la quantité de gaz d'échappement est trop importante pour ce petit turbo. Il y a plus de gaz d’échappement que ne peut en contenir le turbo ; dans ce cas, la wastegate doit s'ouvrir plus tôt et détourner beaucoup de gaz d'échappement. Waste est une traduction de « perte », qui s’applique également ici ; les gaz d'échappement circulant par la wastegate ne contribuaient pas à l'entraînement du turbo.
La taille du turbo est donc très importante pour la conception du moteur. Chaque turbo a reçu une caractéristique de compresseur lors de la conception. Les caractéristiques du compresseur peuvent être utilisées pour déterminer s'il convient à un moteur particulier. L'image ci-dessous montre un exemple de caractéristique d'un compresseur.
Le rapport de pression P2/P1 (sur l'axe Y) est le rapport entre l'entrée (P1) et la sortie du turbo (P2). La pression après la roue de turbine est toujours plus faible qu'avant. Le rapport de pression (sans dimension) de 2,0 signifie que la pression avant la roue de turbine est deux fois plus élevée qu'après la roue de turbine. Le facteur de débit volumique (sur l'axe X) est la quantité d'air qui circule à travers le turbo. Les lignes courbes et horizontales indiquent la vitesse de l'arbre du turbo.
La figure montre que la ligne rouge est la ligne de surtension et la ligne bleue est la ligne d'étranglement. La ligne de surtension, également appelée limite de pompe, est la limite à laquelle la vitesse de la roue du compresseur est trop basse. La surgeline est la restriction du débit d’air due au fait que la roue du compresseur est trop petite. Le rapport de pression est trop élevé et le débit volumique trop faible. L'air n'est plus aspiré par le compresseur, celui-ci s'arrête donc puis reprend sa vitesse. Ce flux d'air instable provoque des fluctuations de pression et des pulsations dans le conduit d'admission. Les pulsations sont également appelées « déferlement » du compresseur. D’où le nom « surgeline ». L'air qui circule d'avant en arrière provoque des forces importantes qui peuvent surcharger le turbo. Les aubes des roues du compresseur peuvent se briser et les roulements peuvent être surchargés.
La starter est une autre limite que le compresseur ne doit pas dépasser. Ici, le débit volumique maximum se produit à un faible rapport de pression. Le diamètre du boîtier du compresseur détermine le débit volumétrique maximal. Lorsque la starter est dépassée, la roue du compresseur est trop petite pour gérer le débit volumique (plus important). En conséquence, une grande partie de la puissance du moteur est perdue. Le starter est également appelé « overspin starter ».
La figure montre la caractéristique du compresseur avec un moteur à charge partielle. Le moteur doit avoir la consommation de carburant la plus faible à charge partielle. La consommation spécifique de carburant la plus faible est obtenue avec le plus petit îlot. La soupape de décharge régule la pression afin qu'elle traverse directement l'îlot central. Initialement, la wastegate est fermée afin que la pression du turbo augmente. Le système de gestion du moteur ouvre la soupape de décharge comme le montre la ligne verte sur l'image. La vitesse de l'arbre du turbo est comprise entre 8000 9000 et XNUMX XNUMX tours par minute.
Lors de la conduite en montagne, l'altitude géographique est plus grande ; l'air y est plus rare. Cela affecte le fonctionnement du turbo, car un air plus fin contient moins d’oxygène, ce qui fait chuter la pression du compresseur. Le rapport de pression, y compris la vitesse du compresseur, doit augmenter pour arriver à la pression de remplissage finale. Cette situation est visible sur la figure.
La ligne verte indique la situation de charge partielle lors de la conduite au niveau de la mer et la ligne orange lors de la conduite en montagne. En raison de la raréfaction de l'air, la vitesse du compresseur augmentera jusqu'à 100000 XNUMX tours par minute.
La vitesse plus élevée du compresseur augmentera également la température de l’air d’admission fourni au moteur. L'intercooler devra donc dissiper plus de chaleur. Désormais, la différence se voit également au niveau de la consommation de carburant ; En montagne, la consommation de carburant augmentera en raison du rapport de pression P2/P1 plus élevé et du régime turbo plus élevé.
Combinaison turbo et compresseur :
De nos jours, les constructeurs automobiles choisissent de plus en plus d’équiper le moteur d’un turbo et d’un compresseur. Le turbo a souvent une taille plus grande et est équipé d'une waste gate. Le compresseur sert à éviter le turbo lag ; À bas régime, le compresseur fournit la pression de suralimentation et démarre le turbo. À des vitesses plus élevées, le turbo prend le relais.
L'air comprimé passe par le compresseur ou la vanne de dérivation jusqu'au turbo et via le turbo via le refroidisseur intermédiaire jusqu'au collecteur d'admission.
Cliquez ici pour plus d’informations sur le compresseur Roots.
Turbo électronique :
Un turbo conventionnel souffre d'un décalage du turbo à bas régime, car les gaz d'échappement sont nécessaires pour entraîner la roue de turbine. Un compresseur n'en souffre pas et fournit une pression de suralimentation à partir du régime de ralenti. Une combinaison des deux semble idéale. Cependant, un compresseur Roots mécanique doit être entraîné par le vilebrequin. L'énergie est perdue dans ce processus. Les constructeurs automobiles expérimentent donc plusieurs turbos à gaz d'échappement ou turbos électriques pour éviter le turbo lag du turbo à gaz d'échappement.
Le turbo électrique est contrôlé par le calculateur moteur. En seulement 250 millisecondes, la roue du compresseur atteint une vitesse de pas moins de 70.000 XNUMX tours par minute. Le moteur électrique du turbo entraîne la roue du compresseur. La roue du compresseur déplace l'air d'admission sous pression vers la roue du compresseur du turbo à gaz d'échappement. La roue du compresseur tourne très rapidement lorsque le moteur électrique est contrôlé.
Grâce au turbo électrique, le moteur réagit plus rapidement. À des régimes plus élevés, où le turbo des gaz d'échappement est capable de fournir la pleine pression de suralimentation, le turbo électronique est désactivé.
