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Le turbocompresseur



par François Dovat

On peut augmenter dans d'énormes proportions la pression moyenne effective - et par là le couple et la puissance - d'un moteur alternatif à combustion interne en l'alimentant avec de l'air comprimé.

Son taux de compression, c'est-à-dire le rapport des volumes contenus dans le cylindre avec le piston au point mort bas (PMB) et haut point mort haut (PMH) doit cependant être alors réduit de façon à ce que les pressions de compression (Pc) et de combustion (Pz) n'excèdent pas les limites admissibles. Pour les moteurs à essence, la limitation de Pc est nécessaire pour éviter les phénomènes d'auto-allumage et de détonation alors que sur les diesels Pz est limité par la résistance mécanique des structures du moteur.

L'air comprimé (ou parfois, dans le passé, le mélange comprimé) est alors fourni par un compresseur dit de suralimentation et dont on distingue différents types. Ce compresseur doit être entraîné par une source de puissance quelconque. Ce peut-être soit le vilebrequin du moteur (entraînement mécanique), soit une turbine d'échappement (turbocompresseur), soit un moteur auxiliaire indépendant, soit une combinaison de ces différents moyens.

Les turbocompresseurs sont aujourd'hui largement adoptés sur les diesels de toutes tailles, du minuscule 3 cylindres 800 cm3 de Smart au géant marin 12 cylindres en ligne de 21715 litres haut comme un immeuble de Sulzer qui développe 93360 ch à 102 t/mn. Ainsi, la puissance absorbée par le compresseur n’est plus soustraite au vilebrequin, mais produite par une, ou des, turbines d’échappement. Bien que ces turbines soient un obstacle à l’écoulement des gaz brûlés, la contre-pression qui en résulte est plus que compensée par l’augmentation de pression d’admission due au compresseur. D’autre part, cette dernière est simplement autorégulée en fonction de la charge.

Cependant, pour un moteur de traction, soumis à de constantes variations de charge et de régime, la turbosuralimentation est loin d’être la solution idéale car l’inertie des parties rotatives des turbomachines s’oppose à une élévation instantanée de la pression d’admission lorsque l’accélérateur est enfoncé. Le délai de réponse était prohibitif et l'on s'est efforcé de le minimiser en réduisant le diamètre des rotors de turbine et compresseurs. De plus, la puissance d’une turbine d’échappement n’est pas inversement proportionnelle de façon linéaire à l’entropie du gaz qui l’entraîne : ainsi, quand le régime du vilebrequin descend en dessous de celui pour lequel la turbine a été optimisée, la puissance de cette turbine chute plus rapidement que le régime du moteur. Aujourd’hui encore, le résultat est que la pression d’admission s’effondre lorsque le régime tombe sous la moitié du nominal.

Il y a lieu de remarquer, que contrairement à une certaine croyance, un turbocompresseur ne "s'enclenche" pas. Il tourne déjà lorsque le moteur est au ralenti et la pression d'admission, dite aussi de suralimentation, s'établit de façon continue et progressive avec la montée en charge et en régime. Le terme "pression du turbo"est par ailleurs absurde et inadéquat.

Une somme considérable de recherche et développement fut nécessaire avant de parvenir à mettre au point des moteurs turbosuralimentés qui présentent des caractéristiques acceptables pour la traction routière. Actuellement, on dispose d'entrées de turbine de section variable ou d'aubes de stator d'incidence variable qui minimisent ces inconvénients.

Des systèmes comportant un petit moteur-générateur à haut régime accouplé directement sur l'arbre du turbocompresseur sont en cours de développement et devraient être commercialisés sous peu. Plusieurs turbocompresseurs peuvent être montés en parallèle, par exemple un par rangée de cylindres, ou en série pour une suralimentation à deux étages (diesels), voire en série avec un compresseur mécanique. En outre, l'arbre des turbomachines peut être connecté au vilebrequin par un réducteur à engrenages et un coupleur hydraulique. Scania et Volvo commercialisent des diesels turbocompound de ce type qui développent respectivement 470 et 500 ch. Voire à ce sujet notre dossier "Le turbocompounding".

Le Renault V6 de Formule 1 des années 70 – 80 était suralimenté par deux turbocompresseurs KKK, soit un par rang de cylindres. L'air d'admission passait dans des intercoolers latéraux air/air et air/eau, ce système assurant une plus grande stabilité de la température de la charge en fonction des variations de vitesse de la voiture. Des soupapes de décharge (waste gate) situées sur l'échappement avant les turbines limitent la pression d'admission. La turbosuralimentation n'exclut pas l'usage de tubulures d'admission à résonance améliorant le remplissage à bas régime.

Les turbocompresseurs sont toujours de type aérodynamique, axial ou centrifuge, mais la variante centrifuge est exclusivement employée sur les moteurs de véhicules routiers, bien que des turbocompresseurs axiaux aient été montés sur de plus grands moteurs. A part un usage sur des moteurs d'avion ou marins, quelques moteurs d'automobile ont été équipés de compresseurs centrifuges entraînés mécaniquement, mais le résultat est une courbe de puissance extrêmement pointue - à moins d'un entraînement par variateur continu (CVT). Les compresseurs couramment utilisés sont donc du type volumétrique, Roots ou Lysholm.

Cette image montre le fonctionnement d'un turbocompresseur "à géométrie variable". En fait, c'est uniquement la turbine qui est équipée d'aubes d'entrée à incidence variable. Le développement de cette technologie a fait face à d'énormes difficultés en raison des températures d'échappement élevées (jusqu'à 950°C) dans lesquelles les aubes doivent opérer. Sur quelques moteurs récents ces aubes sont pivotées par un moteur électrique avec réducteur, piloté électroniquement, en lieu et place d'un cylindre pneumatique actionné par la dépression du servo-frein. Un autre système limite la section d'entrée de turbine à l'aide d'une douille coulissante.

Il est possible de suralimenter un moteur en V au moyen d'un seul turbocompresseur, comme sur ce moteur de camion Scania DSC 14. Mais, étant donné qu'un gros turbocompresseur est alors nécessaire, ses parties rotatives ont plus d'inertie que deux plus petites unités, d’où un délai de réponse plus long.

Pour ce 6 cylindre en ligne DAF 12 litres de camion de course, les deux turbocompresseurs fonctionnant en parallèle sont tout de même bien gros car ils doivent alimenter 1500 ch (oui, 1500 !). La pression d'admission atteint la valeur difficilement croyable de 5 bars tandis que la pression de combustion dépasse les 310 bars et que la pression moyenne effective s'établit plus de 52 bars ! Un moteur pneumatique peut pivoter les aubes d'entrées de turbine d'une position extrême à l'autre en 34 millisecondes. Le camion de course accélère de 60 à 160 km/h en 6.5 sec seulement…

Deux turbocompresseurs - un par rangée de cylindre - sont montés sur le diesel de 1200 ch Perkins CV12 propulsant le char d'assaut "Challenger" de l'armée britannique.

Les moteurs d'avion de la guerre 1939-45 ont été équipés de compresseurs centrifuges énormes, tels que ce V12 inversé DB 603 de 44.5 litres. Ces compresseurs étaient entraînés depuis le vilebrequin par l'intermédiaire de trains d'engrenages surmultiplicateurs à 2, voire 3 vitesses. Mais Daimler-Benz a utilisé à la place un embrayage hydraulique qui était plus ou moins rempli et vidangé pour adapter la pression de suralimentation et augmenter le régime du compresseur en altitude. Comme le débit-masse d'un compresseur centrifuge est à peu près proportionnel au carré de sa vitesse de rotation, selon ce qui s'appelle une "courbe d'hélice", ce type de compresseur est donc approprié aux moteurs d'avion. En Allemagne des turbocompresseurs ont été montés en tant que 1er étage (débitant dans un compresseur mécanique en 2e étage) uniquement sur quelques prototypes, ceci en raison du fait que l'acier de haute qualité nécessaire pour fabriquer des turbines d'échappement était rare.

Ce Detroit Diesel 16V149 TI 2-temps de 39 litres est suralimenté par 4 turbocompresseurs en parallèle mais travaillant néanmoins en série avec deux soufflantes Roots qui assurent le balayage sous charge partielle et faible. Sous forte charge, les compresseurs Roots sont by-passés.

Un des rotors à 3-lobes d'un compresseur Roots est bien visible sur cette coupe d'un Detroit Diesel 8V 92 TA. Sur ce plus petit moteur, un seul turbocompresseur est situé au dessus du Roots. Un "aftercooler", ou en bon français un "réfrigérant final d'air de suralimentation ", est également visible (en bleu) à l'intérieur du V. Les compresseurs Roots sont du type volumétrique comme brièvement dit en page 1. Leur débit-masse étant approximativement proportionnel à leur vitesse de rotation, ils ont été et sont encore assez couramment employés sur les moteurs de véhicule, soit pour alimenter des diesels 2-temps en air de balayage, soit pour fournir une pression de suralimentation modérée destinée à augmenter la puissance de moteurs 4-temps


Le Mercedes M 271 de 1.8 litre développe 192 ch à 5800 t/mn grâce à un compresseur Roots amélioré (Eaton, dont les rotors sont hélicoïdaux) soufflant dans un "intercooler"… ou "réfrigérant d'air de suralimentation intermédiaire" ou encore "échangeur de chaleur intermédiaire". Néanmoins, la distinction entre "aftercooler et "intercooler" n'a de sens qu'en cas de suralimentation à deux étages, le premier type étant disposé après les deux étages de compresseur alors que l'intercooler est logé entre les deux étages. L'un n'exclut d'ailleurs pas l'autre, certains diesels marins étant équipés des deux à la fois.

Les rendements adiabatiques maximum des différents types de compresseurs (dans les dimensions utilisées en technique automobile) sont les suivants :

Roots (Eaton) : 50%

Lysholm : 65%

Centrifuge : 77%

Cela signifie qu'une partie de la puissance employée pour entraîner le compresseur est gaspillée en chauffant l'air comprimé au lieu de produire plus de pression. Malheureusement, en raison de leurs caractéristiques de débit / vitesse, le rendement supérieur des compresseurs centrifuges est complètement inutilisable en traction routière s'ils sont entraînés mécaniquement par un rapport fixe depuis le vilebrequin.


Pour les moteurs 32 V6 et 55 V8, AMG emploie un compresseur Lysholm débrayable produit par IHI au Japon. Entraîné à 3,3 fois le régime du vilebrequin, le compresseur à vis jumelles produit une pression d'admission supérieure à 1 bar sur le V6 et jusqu'à 0.8 bar sur le V8 de 500 ch. Il est entraîné par un embrayage électromagnétique semblable à celui d'un compresseur de climatisation; un de ses deux rotors en aluminium coulé est revêtu de téflon (le jaune). En dépit du relativement bon rendement de ce type de compresseur, il absorbe néanmoins 60 ch lorsque le V6 de 3.2 litres tourne à son régime maxi de 6200 tr/min. Naturellement, le compresseur débite alors beaucoup d'air, jusqu'à 1200 kg par heure en fait, mais l'inconvénient subsiste que cette puissance est soustraite à celle du moteur qui est dès lors sujet à une charge additionnelle - de 17 % dans ce cas-ci.

http://www.autospeed.co.nz/cms/article.html?&A=1102

À cet égard, la turbosuralimentation est supérieure et les seuls avantages des compresseurs volumétriques sont l'absence de délai de réponse ainsi qu'un meilleur couple à très bas régime. Mais ces avantages ont diminué avec la disponibilité de turbocompresseurs équipés d'entrée de turbine à géométrie variable. Pour une haute pression d'admission - plus de 1 bar - le choix de la turbosuralimentation s'impose.

Admettons toutefois qu'un compresseur volumétrique trouve bien sa place à l'intérieur du V d'un moteur en V d'automobile. La Mercedes S 55 AMG a des performances impressionnantes et un rendement thermique très satisfaisant avec son compresseur débrayable Lysholm. Elle fournit les mêmes prestations que la S 600 V12 tout em offrant l'avantage d'une consommation de carburant inférieure.

Des types de compresseurs différents, notamment à palettes, ont également été employés dans des applications pour véhicules routiers mais la plupart d'entre eux sont maintenant obsolètes. D'autre part de nouveaux concepts apparaissent.

(© François Dovat)
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Idée & conception © 1999-2011 van Damme Stéphane.


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