Le Turbo

[sulyvan66]

LE TURBO - PRINCIPES GENERAUX

Aujourd'hui les turbos a géométrie variable sont mieux étudiés, leur temps de réponse a été considérablement réduit et les moteurs actuels ont de plus en plus recours à la suralimentation par turbo. Le TGV (turbo à géométrie variable) régule la circulation des gaz d’échappement au niveau de l’entrée de la turbine, ajustant ainsi le débit afin d’optimiser la puissance de la turbine en fonction de la charge demandée.
On les trouve sur la quasi-totalité des Diesels actuels avec une généralisation attendue sur les moteurs à essence/bio-carburant. Ils permettent ainsi le "downsizing" (réduction du volume du moteur et de la cylindrée) tout en gardant la même puissance voire de l'augmenter.




Avant de commencer, une explication de la pression atmosphérique, absolue et relative :
==> La pression atmosphérique
La pression atmosphérique, appelée aussi pression barométrique, est d'environ 1000 mbar. 1 bar c'est la pression que nous avons tous sur la tête.

==> La pression absolue
La pression absolue sur les moteurs suralimentés correspond à la pression turbo ou compresseur plus la pression atmosphérique. C'est cette valeur que l’on retrouve parfois dans les docs techniques et c'est pour cette raison qu'elle est plus élevée (surpression turbo + pression atmosphérique).

==> La pression relative
La pression relative correspond uniquement à la valeur de suralimentation, c'est à dire qu'ici on ne tient pas compte de la pression atmosphérique. C'est la valeur usuelle lorsqu'on parle de turbo ou de compresseur (valeur de surpression).




PRINCIPE DE BASE
Le principe du turbocompresseur est de réutiliser l’énergie (cinétique) des gaz d’échappement qui dans un moteur classique s'évacue en pure perte vers la ligne d’échappement. L'énergie délivrée par le moteur se répartit en moyenne ainsi :
- 30 % se retrouve au niveau du vilebrequin/volant moteur/boîte
- 30 % est absorbé par le liquide de refroidissement
- 30 % se retrouve dans la chaleur des gaz d'échappement
- 10 % pour le rayonnement du moteur, huile, etc.

1. Fonctionnement du turbo
Les gaz d'échappement passent dans une turbine d'échappement qui compresse l'air d'admission grâce à la turbine d'admission.


L'air compressé est ensuite refroidi par un échangeur air/air ou air/eau, avant de rentrer dans l'admission du moteur.


La pression d'admission est régulée par le débit du turbo grâce à une vanne de régulation (souvent appelée "wastegate") gérée par le calculateur via l'électrovanne.

Le moteur, ainsi "compressé", pourra en conséquence accepter une quantité de carburant plus grande en rapport avec le gain en air apporté par le turbocompresseur et donc augmenter sa puissance. Les gaz d'échappement sont récupérés par le collecteur et envoyés dans le carter d'échappement. Ces gaz vont être dirigés de façon à entraîner par rotation la turbine.

Cette rotation, transmise à la turbine d admission par un axe, provoque l'aspiration de l'air. La mise en pression se fait dans le carter d'admission par transformation en pression de la
vitesse de l'air générée par la rotation et de ce fait l’air d’admission est comprimé. Si tous les gaz échappement entraînaient en rotation la turbine, on obtiendrait beaucoup plus de pression en sortie que ne pourrait le supporter les moteurs.
Aussi les constructeurs de turbo ont prévu un système de régulation pour dévier une partie de ces gaz lorsque la pression nominale est atteinte, c'est la "waste-gate". Elle possède une prise de pression à la sortie du carter de compresseur. Elle va plus ou moins ouvrir le clapet en fonction de cette pression.



Les gaz vont donc s'évacuer par le conduit ainsi ouvert plutôt que d'entraîner la turbine d'admission.





==> Comment "lire" un turbo
Un turbo a de nombreuses variantes qui influent directement sur le trio comportement-puissance-fiabilité. Ce qu'il faut savoir :
- son type
- sa roue de compresseur
- sa turbine, son A/R turbine
- son A/R compresseur (on dit : A sur R)
- waste-gate (vanne de régulation) interne ou externe
- refroidissement
- roulements


A/R de turbo

2. Les types de turbo
A quoi correspondent les types de turbo ?
Les types indiquent juste le diamètre de la turbine, donc ils n'indiquent en aucun cas la puissance admissible du turbo. Les marques les plus courantes sont :
- Garrett (T* et GT ****)
- KKK (k24-k26-k26-k29-k31-k03-k04-k05-k06)
- Il existe aussi d'autres marques tel que : IHI, Schwitzer, Holset, etc.

==> Exemple avec les Garrett
- De 70 à 300 ch pour un diamètre de 60, autres diamètres de 80 à 525 ch (moteur essence).

==> Exemple avec les KKK
- De 80 à 380 ch

Mais d'où viennent ces différences de puissance ?

3. A/R de turbine
Le 'A/R influe directement sur le débit de la turbine. Pour faire simple, les petits A/R (par exemple, une valeur de 0.6) permettent de "charger" tôt, mais le turbo est bridé en puissance pure en général, on trouve les petits A/R principalement sur les moteurs Diesel pour charger tôt. Les petits A/R donnent aussi une contre-pression plus importante à l'échappement. Cela favorise donc la charge à bas régime, mais bride le moteur dans les tours et au niveau de la sonorité. 4500 trs/min maximum, car les contraintes physiques sont plus grandes sur les Diesels que sur les essence.


Les gros A/R permettent un débit plus important, mais le turbo charge plus tard, en contrepartie vous pouvez développer plus de chevaux dans les tours. En général, on trouve les A/R plus importants sur les moteurs de compétition ou sur les fortes cylindrées essence (7/15 000 trs).


4. A/R de compresseur
C'est la même chose que sur pour l'A/R de turbine à la différence que l'A/R de compresseur joue sur les performances de votre turbo-Diesel à rampe commune, mais pas sur les essence.

5. Les roues de compresseur
C'est une partie importante du turbo ! Pour un type de turbo donné, il existe des dizaines de roue possibles. Exemple pour le GT15 ou GT17, on en trouve plus de 50 !
Les roues diffèrent par :
- leur diamètre d'entrée
- leur diamètre de sortie
- l'inclinaison des pales
- le nombre de pales
- le type de pales
- l'épaisseur de la roue

Pour connaître le type de roue dont vous avez besoin pour votre turbo, il existe des graphiques (appelées "flow map") qui donnent les caractéristiques des roues de compresseur. Sur ces graphiques, on trouve le débit en fonction de la vitesse de rotation et le rendement en fonction de la pression.

6. Les turbines
Concernant les turbines, c'est normalement plus simple, car dans la plupart des cas il n'existe que 2 modèles de turbine par type de turbo : celles dite "classique" et celle dite "gros débit".


7. Les bagues, paliers et autres roulements
En règle générale, la plupart des turbocompresseurs (env 99 %) sont montés sur bagues en bronze lubrifiées par un film d'huile sous pression. Les roulements (Turbal) sont utilisés en compétition pour améliorer le temps de réponse (le fameux "lag") et la vitesse maxi de rotation du turbo. Le principal problème des roulements réside dans le fait qu’ils ne doivent pas dépasser une température bien définie pour ne pas gripper à cause de la dilatation. C'est pour cette raison que tous les turbos sur roulement ont un refroidissement liquide.

Attention !!! Tous les turbos refroidis par eau ne sont pas sur roulements. Certains turbos (sur bagues donc) ont un refroidissement liquide pour éviter la cokéfaction de l'huile (détérioration due à une température trop importante). En règle générale, le refroidissement liquide est utile lorsque l'on coupe le moteur, car la chaleur des carters se propage sur les paliers recouverts d'huile inerte (une fois le moteur éteint, l'huile ne circule plus) et cokéfie la dite huile (cokéfié = durcissement/bouchons).

Petite précision : les bagues en bronze ont besoin de 3 à 5 bars de pression d'huile (c'est le film d'huile entre l'axe et les bagues qui fiabilise le turbo). Par contre, 1.5 bars maximum pour un turbo
sur roulement en turbal essence (les roulements ont juste besoin d'être lubrifiés) d'où l'utilisation d'un réducteur de pression obligatoire !!!

8- Dimension/profil de la turbine ("trim")
C'est une chose simple puisqu'il s'agit de la différence entre le diamètre d'entrée et celui de sortie de la roue de compresseur ou de la turbine.
Voici un exemple : pour le calculer celui du compresseur, il faut diviser le petit diamètre (PD) au carré par le grand diamètre (GD) au carré : PD²/GD² = trim de 60²/82² = 3600/6724 = 0.534 d'où un trim de 54 sur un modèle turbo essence. En général, les roues de compresseur qui ont le meilleur rendement ont un trim compris entre 48 et 62.

9. Le refroidissement
L'échangeur (ou "intercooler" en anglais) est un radiateur chargé de refroidir l'air d'admission, il en existe 4 types :
- soit air/air
- soit air/eau
- soit air/air x2
- soit air/eau x2


Lorsque l'air d'admission du moteur est comprimé, sa température s'élève (120°C environ). L'air chaud occupe un plus grand volume que l'air froid, ce qui réduit "l'effet turbo". En faisant passer l'air ainsi comprimé dans un échangeur, sa température est réduite d'environ 60°C avant de rentrer dans le moteur. Ceci permet d'introduire plus d'air dans les cylindres.


OPTIMISATION : GENERALITES
Les turbines des turbos pour moteur Diesel sont les mêmes que sur les moteurs à essence (c'est l'A/R du carter de turbine qui diffère). Lorsqu'il faut changer la turbine d'échappement sur un turbo (pour une plus performante en toute logique), il faut usiner le carter afin qu'il puisse recevoir la nouvelle turbine et monter le carter froid (escargot d'admission) qui correspond à la dite roue.
De même lorsqu'on modifie un compresseur de turbo, il est bon de modifier la turbine et son carter en conséquence. Si l'on augmente le débit du compresseur mais que la turbine garde la même perméabilité, le turbo ne pourra pas monter en pression. Du coup, les performances du moteur ne vont pas augmenter : eh oui, si les gaz d'échappement ne "sortent" pas, l'air admis ne rentre pas (pression/contre-pression).

C'est pour cette raison que la pression n’est pas forcément LE gage absolu de performance, il faut tenir compte de l'ensemble de la chaîne (admission/distribution/échappement) à l'intérieur duquel le turbo n'est qu'un maillon. Par exemple dans le championnat CART, avec une cylindrée limitée à 2.6l et une pression de 0.6 bar, les moteurs développaient jusqu'à 800 ch. Sur un même moteur, on peut ainsi obtenir 150 ch à 1 bar, mais en obtenir aussi 150 à 0,8 bar en optimisant cette chaîne, en changeant le turbo ou en le modifiant et avoir un gain grâce a la différence de température de l'air comprimé (tourne moins vite = chauffe moins = plus d'air).
surtout penser a une ligne gros diamètre pour évacuer les gains et aider a crée une contre pression ...

Un retarage de waste-gate peut permettre une amélioration de la pression, idem pour un collecteur bien conçu qui permet de gagner des chevaux sans augmenter la pression (inox fait sur mesure). Une ligne complète décata permet sur les Diesel de gagner en couple a bas régime et à haut régime. Ne pas oublier l'optimisation de l'échangeur (dimensions et débit suffisants) voire un refroidissement forcé qui permet de gagner en gavage moteur (air moins chaud = plus d'air). Une admission dynamique permet aussi d'améliorer le remplissage.

Enfin une électrovanne gérée de l'habitacle permet d'ajuster la pression en temps réel ainsi que l'overboost et influe sur la sonorité d'une essence ou d'un Diesel. Chose souvent négligée, le radiateur d'huile est aussi important que l'échangeur pour éviter la surchauffe/dégradation de l'huile et la coupure du turbo. Des petites modifications permettent de gagner en couple/chevaux avec une reprogrammation du boîtier, mais ici c'est une autre histoire...

Ce tuto est réalisé sur un autre forum par mes soins, la recherche des images , texte et formule mathématiques sont une synthèse de cours ,fiches constructeurs et autres ... il est crée dans un but d expliquer le turbo dans c est généralitées ...
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stilo club

[Napoletano]

truc de malade tes ingénieur ou quoi? vraiment très bien expliqué je comprend pas tous les termes mais c'est énorme merci pour tes explication.

[sulyvan66]

non du tout , merci juste qu avec un pere et grd pere mecano pendant plus de 30 ans j ai pas eu le choix a la longue ça rentre tout seul .
Et puis j aime comprendre ,partager et aider .
si tu as des questions? meme sur des termes n hesite surtout pas
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stilo club

[Psychoshoxx]

pas mal du tout le cours sur le turbo!!!!

je saurai pas l'expliquer à qqun d'autre, mais j'ai pigé comment ça marche...
merci

[pirfou]

Un bon topic, bien qu'il ne soit pas rigoureux... Merci Sulyvan, je pense que c'est ce qu'il manquait au fofo
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jtd16v 126 @ beaucoup

[sulyvan66]

merci c est généraliste pour etre compris par le plus grand nombres apres je peux rentrée dans des formules mathematiques, thermodynamique des flux , dilatation des materiaux,pertes de charges,resistance thermodynamique etc etc ...
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stilo club

[pirfou]

[sulyvan66]

t es le seul sur 4 forum ou j ai mis ce tuto qui va au bout des choses ou termes (on sent les nuits blanches a apprendre ou comprendre ) ... c est sur tres peu de personnes sont d accord sur la definition d un mot ou d une piece voila pourquoi j utilise les plus generiques ...
de la theorie a la pratique y a un monde car beaucoup de choses rentreront dans l equation , pertes de charges, resistance thermodynamique, frottement des gazs et pieces en mouvement et bien d autres encores .
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stilo club

[pirfou]

En même temps les turbos c'est un domaine qui m'a énormément intrigué, avec la mise au point, et j'ai eut l'occasion d'avaler quelques bouquins qui vont bien à ce propos. Le genre de bouquin qu'on est obligé de faire venir des US, parcequ'en France on doit avoir peur de parler de choses interessantes
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jtd16v 126 @ beaucoup

[Noum]

Bravo!
Sujet très intéressant!
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Alfa 147 Distinctive 1,9 JTD 16V M-JET 126ch - Ma galerie
Nero métallico / JA 17" / Radar de recul / Rétro electrochrome / Interface Blaupunkt

[napier1]

Bonjour,

Je prépare actuellement une présentation sur le turbocompresseur.
Donc j'ai pour problématique de comparer le turbo sur moteur essence et diesel.
Mais je bloque, au niveau du moteur essence. Pourquoi avoir mis un turbo sur un moteur essence, à part avoir une motorisation sportive ???

PS : si je peux avoir aussi quelque détail, qui m'aiderai à comprendre, au point vue thermodynamique, vu que j'ai les connaissance de base.

Merci d'avance !!!

[ToxyMaTT]

Pour les mêmes raisons que sur un moteur diesel = performances, et maintenant downsizing
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147 JTDm pour madame
Mazda MX5 NA pour monsieur

ex 156 2.5L V6 SW / 146 TS120 /GTV Cup Q2 3.0 V6 / 147 TS120 Ti replica
Alfiste un jour ... Alfiste toujours <3

[DelphineO]

Quand ça arrive, il vaut mieux faire une pause et solliciter un massage ou pratiquer du yoga pour faire redescendre la pression. Toutefois, en allant sur https://yoga-zen-boutique.com/, vous trouverez des alternatives pour compenser votre perte.