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Le turbocompounding



par François Dovat

Plus de 35% de l’énergie dégagée par la combustion du gazole est perdue dans l’échappement. Entre 1909 et 1915 Alfred Büchi développa le premier turbocompresseur (ci-dessous) alors qu'il était ingénieur en charge du développement des diesels chez Sulzer à Winterthur. L'un de ses buts était de récupérer partiellement cette énergie.

On s’aperçut vite des avantages de ce système en altitude sur la suralimentation mécanique (compresseur entraîné par le vilebrequin) si bien qu'en 1917 Auguste Rateau en équipa un moteur d’avion. Même si l’on ne disposait pas encore d’aciers résistants aux températures des gaz éjectés par les moteurs à essence ( > 950°C ), les bombardiers B17 purent être munis dès 1939 de turbocompresseurs General Electric grâce à un jet d’air froid projeté sur la turbine.

A la même époque on commença à expérimenter la turbo-suralimentation sur des diesels marins. En décembre 1941, la Sulzer Technical Review publiait les performances obtenues avec un diesel turbocompound à pistons opposés, le 4 ZGA 19, dont la consommation spécifique était de 158 g/ch/h à la puissance nominale de 1370 ch. Un gros et moderne 6 G 18 suivit, mais ces expérimentations prirent fin peu après la guerre en raison d’un manque de personnel. La turbine d’échappement de ces moteurs était engrenée sur la ligne d’arbre ; de cette façon, on récupérait une puissance « gratuite ».

Puis, en 1953, les 18 cylindres en double étoile Wright Turbocyclone entrèrent en service sur les Super-Constellation et DC 7. Cette version du Cyclone 18R3350 était améliorée par l’adjonction de 3 turbines d’échappement qui transmettaient leur puissance au vilebrequin par des réducteurs doubles. Des coupleurs hydrodynamiques absorbaient les vibrations de torsion. La consommation spécifique descendit de 210 à 172 g/ch/h et la puissance au décollage augmenta de 2700 à 3300 ch à 2900 t/mn alors que le gain de puissance en altitude était bien supérieur encore. A partir de 1956 la traversée commerciale de l’Atlantique était ainsi assurée sans escale dans les 2 sens.

A l’arrivée en Europe des quadrimoteurs en provenance de New-York, chaque moteur demandait un appoint de 70 à 80 litres d’huile[1]… Ces monstres de 55 litres de cylindrée n’acceptaient que l’essence à 115/145 d’octane. Au lancement, ils crachaient de longues flammes et un énorme nuage de fumée, quelques cylindres faisant d’abord feu avant les autres dans un vacarme assourdissant et cacophonique.[2]

Cependant, en 1954 la firme Napier achevait le développement d’un diesel 2 temps d’avion turbocompound, le Nomad, mais il ne fut jamais produit en série car les premiers turboréacteurs le concurrencèrent. Son turbocompresseur axial était accouplé à la ligne d’arbre par l’intermédiaire d’une transmission complexe en division de puissance par variateur à piles de disques légèrement coniques (CVT système Beier), de manière à ce qu’à bas régime la turbomachine puisse être accélérée et qu’à haut régime l’excès de puissance disponible à la turbine puisse être renvoyé sur l’hélice.

Bientôt, de petits générateurs-moteurs à haut régime accouplés directement sur l'arbre du turbocompresseur permettront d'obtenir un fonctionnement analogue et de réduire le délai de réponse des moteurs turbosuralimentés (ci-dessous, cliché Garett). Néanmoins, on ne pourra vraisemblablement tirer parti de toutes les capacités de ces turbocompresseurs électriques qu'après l'avènement des systèmes 42 volts et des alterno-démarreurs incorporés au volant moteur.

Certains navires disposent depuis longtemps de moteurs turbocompound. La chaleur résiduelle de l’échappement sert ensuite à la production d’eau chaude.[3]

En traction routière, le turbocompounding est au point depuis une dizaine d’années. Le gain d'environ 3% annoncé en consommation semble faible par rapport aux 22% obtenus sur le Cyclone, mais il est néanmoins intéressant car acquis conjointement à une amélioration très nette de la souplesse et du couple à bas régime, à une forte augmentation de la puissance maxi et a une réduction du bruit.

Les premiers Scania turbocompound (DTC 11) ne furent produit qu’à 1500 exemplaires, de 1991 à 1997. Ils auraient connu quelques ennuis dus à leur système de pilotage électronique de l’injection (EDC). Les nouveaux 6 cylindres de 12 litres Scania et Volvo (ci-contre, 470 et 500 ch) semblent promis à une meilleure destinée. La disposition de leurs 2 turbines en série a été choisie entre plusieurs alternatives parce qu’elle améliore la plage d’utilisation du moteur et sa réponse transitoire. Volvo monte une 2e turbine de type axial située dans l’axe de la 1ere, ce qui évite l’usage d’un raccord coudé.

En dessous d’un quart de charge environ, la turbine compound devient inutile ; ces moteurs donnent donc le meilleur d’eux même sous fortes charges, lorsque la température et la pression des gaz d'échappement sont élevées.

[1] A l’époque, une consommation d’huile de l’ordre de 8 g/ch/h était considérée comme normale.

[2] Un Turbocyclone est exposé au Deutches Museum à Munich.

[3] Il est envisagé d’utiliser cette chaleur résiduelle pour vaporiser de l’eau qui entraînera une turbine à vapeur.

(© François Dovat)
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