Fonctionnement du turbo
 

Description du fonctionnement du turbo.



  • Préambule.
  • Turbo classique.
  • Le graphique débit/pression d'un turbo.
  • La TRIM.
  • Le rapport A/R du carter d’échappement.
  • Le turbo de type VAT.
  • Le turbo de type VNT.
  • Contrôle rapide de l’état d'un turbo.


  • implantation générale du turbo

    Préambule

    Le turbo compresseur est composant mécanique permettant d’augmenter la puissance d’un groupe moto propulseur. Sa première principale utilisation fut d’être appliqué dans les moteurs d’avion entre les deux guerres et un peu après. Les avions de cette époque souffraient d’un manque de puissance à haute altitude, dû a une baisse importante de la pression atmosphérique, et par conséquence, la pression moyenne effective dans chaque cylindre était d’autant plus faible. Pour contrer cette inconvénient la plus part des constructeurs équipèrent leur moteur de système de suralimentation, compresseur ou turbocompresseur. Le turbo compresseur eu l’avantage de ne demander qu’une très faible puissance pour être mise en œuvre, ainsi qu’un encombrement relativement réduit.
    Le principe du turbocompresseur, est de réutilisé l’énergie cinétique des gaz d’échappement, qui dans un moteur classique s’évacue en pur perte dans la ligne d’échappement. Pour appliqué ce principe, on mets un place un rotor, qui est l’élément essentiel le constituant. Ce rotor ce compose d’une hélice centripète, qui est donc actionné par l’énergie cinétique du flux de gaz d’échappement. De l’autre coté une roue de compresseur centrifuge récupère le mouvement de très forte rotation par l’intermédiaire d’un axe, et comprime l’air d’admission pour le moteur. Sa vitesse de rotation peut atteindre les 200.000 Tr/MIn
    Le moteur ainsi aidé a respiré, pourra en conséquence accepter une quantité d’essence supplémentaire directement en rapport avec le gain en air apporté par le turbocompresseur, et donc augmenter fortement sa puissance totale transmissible.


    Un turbo classique

    turbo en coupe

    D’un point de vue mécanique, le turbocompresseur est un organe délicat.

    • Il fonctionne à des vitesses de rotation très élevées (typiquement 200 000 tr/min pour un turbocompresseur actuel, le plus souvent sa vitesse de rotation se situe autour des 100 000 tr/min pour des véhicules plus ancien s ex. : ZX, R19…).
      • Cette vitesse doit être impérativement maîtrisée (en effet, si la vitesse de l’extrémité des pales de turbine atteint une valeur supersonique, ou même seulement trassonique, le turbo est détruit !).
    • Il subit des contraintes thermiques énormes (la turbine côté échappement est à une température dépassant les 800 °C sur moteurs diesel et 1 000 °C sur moteurs essence et, à quelques centimètres, du côté compresseur, la température est d’environ 20 °C), ce qui implique l’utilisation de méthodes et de matériaux particuliers pour sa fabrication, d'où le prix élevé d’un turbo.
    • La lubrification des paliers de l’arbre supportant les deux turbines du turbo est aussi un problème crucial. Elle assure un fonctionnement normal des paliers, en formant un film d’huile entre les parties en mouvement, mais aussi participe au refroidissement intensif des paliers.
    • Le taux de compression doit être adapté 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 moteurs diesel, Pz n’est limité que par la résistance mécanique des structures du moteur, notamment de la culasse.
    • L'abaissement du taux de compression géométrique combiné à la non-linéarité de la pression fournie par les turbocompresseurs classiques impose de choisir entre un moteur à fort taux de compression géométrique et faible pression de suralimentation (moteur souple mais peu puissant) et un moteur à faible taux de compression géométrique et forte pression de suralimentation (moteur puissant mais très creux à bas régime). C’est une des raisons pour lesquelles les turbocompresseurs n’ont jamais percé en motocyclette.

    De nos jours, ce problème a été résolu par les turbocompresseurs à géométrie variable, qui délivrent une pression de suralimentation relativement constante.

     

    Un turbo, ce compose visuellement en trois partie principales,
    Le compresseur est la partie qui sera charger de comprimer l'air que le moteur ingurgitera, ça taille est directement en rapport a celle de la roue qui ce trouve a l'intérieur, Cette roue ce définie par un diamètre de base, et un rapport appelé "TRIM". la TRIME sera détailler plus bas.
    Le corps principale, est la partie qui lie les 2 ensembles opposés, l'axe liant la roue de compresseur, et la turbine centripète d'échappement, traverse ce corps ou un jeu de palier guide et maintient cet axe par un film d'huile et cela des plus faible au plus forte vitesse de rotation.
    Le carter de turbine d'échappement contient donc la turbine centripète ainsi que le système d'asservissement appelé West gate. Elle ce caractérise par la taille de la roue de turbine (avec aussi une TRIM) mais aussi le rapport A/R, expliqué plus bas.


    Courbe débit/pression

    Le graphique débit pression du compresseur.

    Le graphique map turbo, ou abaque du champs de compresseur est un graphe fait par le fabriquant de turbo pour les motoristes. Cela leur permet de faire une première approche (avant un passage au banc) pour déterminer le turbo qu'il pourront employer sur le moteur en développement, pour cela il font un relevé de débit massique du moteur, et calque ce débit sous forme de courbe, sur différentes abaques, pour se calquer le plus possible dans la zone de meilleur rendement du turbo. Ils choisissent alors de calquer soit la pointe de couple ou alors la pointe de puissance dans cette zone. Bien sur l'idéale étant d'avoir a la fois la couple et la puissance inclue dans une zone de rendement la plus élevé possible, car c’est la que la température relative de l’air sera la plus basse. On considère que lorsque la courbe de débit massique moteur, est en deçà des courbes de rendement de 65% le turbo n’est pas bien adapté.mais avec l’aide d’un échangeur, cela peu aidé.
    -Sur le graphe les données en abscisse, ou horizontale sont celle du débit massique. On peu y faire correspondre le régime moteur, les valeurs s'expriment en livres (#450grs).
    -Sur la partie en ordonnée ou verticale, les valeurs sont celle d’un ratio de pression. Elle n’ont pas de valeur a proprement parlé, c’est un rapport mettant en scène la pression de suralimentation ainsi que tout les différents éléments provoquant des pertes de charges, par rapport a la pression en amont du turbo (atmo)!
    -sur la partie gauche hachuré du graphique, on voie la zone d'instabilité, ou zone de pompage. Lorsque le turbo entre dans cette zone, cela provoque de fort rata touillages et grognements, ces réactions sont assez néfastes pour le turbo, elle interviennent aussi au levier de pied, et pour les éviter sur les gros turbos, on monte un accessoire appelé Dump valve…
    -Les courbes horizontales tombant brusquement quand le débit augmente, sont les courbes iso vitesse en trs/mn. La vitesse maxi en bout de pale des ailettes des turbines étant de 430 m/s, on obtient donc une vitesse de plus en plus faible avec des roues de plus en plus importante CQFD... sinon on risque la centrifugation du turbo !!!!
    -Les courbes concentrique sont celle de rendement du turbo, l'idéal est quelles soit le plus proche de 100% (impossible) et les plus large possible. Pour pouvoir avoir une couverture la plus large possible du débit moteur utilisé. Elle caractérise ma zone ou le turbo comprime le plus les gaz en les échauffant le moins possible.


    Le graphique débit pression turbine échappement.

    Cette abaque est encore plus simple a lire que celle du compresseur. Il s'agit seulement de lire le régime d'accroche auquel le turbo aura à surmonter sa propre inertie pour fournir en pression le circuit de suralimentation. Ainsi sur l'axe des ordonnées sera indique le ratio de pression entre la pression collecteur, et la pression sortie de turbo, sur les abscisses il s'agit du débit moteur a l’échappement. Ainsi en général au débit moteur prés on constate qu'il suffit d'un ratio de pression oscillant entre 2 voir 2.5 pour que la turbine donne toute sa puissance et soit saturée par le débit moteur (WG pratiquement totalement ouverte).

    Courbe débit/pression

    Courbe pression/debit

    La TRIM

    La trime est un rapport qui est caractérisé a partir des dimensions et du profile de la roue. Les constructeurs de turbo, vendent des compresseurs type (ex. Garrett T02, T03, GT20 GT25). Mais en faisant varié certaines côtes de la roue de compresseur, on peut élargir le champs d'application d'un turbo, et ainsi de manière plus précise lui faire souffler une pression plus élevé a un débit plus important, sans pour autant prendre un turbo plus gros, au poids et a l'inertie bien plus pénalisant en terme de temps de réponse.
    Le chiffre du rapport de la TRIM, ce trouve avec la formule suivante :
    TRIM = (D²/Db²) 100.... on arrondi en gardant la partie entière du résultat.
    Pour un Garrett T3 avec une roue aux cotes Db=58mm et D=42mm, on obtient donc la Trim de 52 d'origine.
    Pour passer a une Trim de 56, il suffit donc de modifier le diamètre D=42mm par D=44mm, et cela donne a peu près 56. Et oui ça se joue a pas grand chose...


    Le rapport A/R du carter d’échappement...


    Le rapport A/R caractérise l'aptitude de l'ensemble carter turbine d'échappement a évacuer les gaz d'échappement, la perméabilité.
    Plus le résultat de ce rapport est proche de 0, moins cette partie du turbo est perméable, et auras donc besoin de peu de débit en gaz d'échappement pour démarrer le turbo. A l'inverse, plus ce rapport est proche de 1, plus le turbo est perméable, et plus il lui faudra un volume de gaz d'échappement important pour démarrer.
    Il faut remarqué aussi, qu'un temps de réponse avantageux et donc une perméabilité faible, vas a l'encontre de la recherche d'une puissance a haut régime. De ce constat, on peu parler de turbo typé couple...Ou de turbo typé puissance.
    Le "A" représente l'aire de la section la plus faible a l'entrée du carter d'échappement de turbo.
    Le "R" représente le rayon partant du centre de la turbine, et passant par ce centre de la section "A".
    En générale, les valeurs de ce module sont comprises entre 0,38 a 0,76 ...

    croquis A/R

    Turbine d'echappement de turbo VAT type 405T16

    Le turbo de type VAT ...


    Mise a par les différences de taille, il existe une architectures de turbo VAT (Variable area turbine). La logique est donc de pouvoir avoir un rapport A/R variable, et jouant sur la grandeur de l'aire "A". Pour cela il y a une porte mobile, qui, piloté par une espèce de West gate fait varié cette surface, comme une West gate classique piloterait ça petite porte de débrayage.


    Le turbo de type VNT ...


    Mise a par les différences de taille, il existe une architectures de turbo VNT (Variable Nozzle Turbo) , la logique d'évolution qui caractérise, est toujours de pouvoir moduler le rapport A/R, mais cette fois si, on recherche a avoir un temps de réponse du compresseur le plus tôt possible. Donc cela sous entend, que c'est turbos sont plutôt typés couple. Pour cela on dispose une série de pale orientable a l'intérieur du carter d'échappement, et tout en périphérie de la turbine centripète, ces pales opposent donc une surface, qui permet de moduler le rapport A/R en les articulant par rotations a l'aide d'une capsule semblable a une west gate.

    Turbine d'echappement de turbo VAT type 405T16

    Contrôle rapide de l’état d'un turbo.


    4 points très précis peuvent indiquer l'état du turbo.
    -L'aspect des hélices de chaque turbine (centrifuge et centripète), on s'attachera a vérifier qu'il n'y ai pas de pale cassée, ou écornée. car dans un cas cela signifiera un turbo HS, et dans l'autre au mieux un bon équilibrage sera nécessaire.
    -Le contrôle des jeux. Pour cela il faut prendre l'hélice centrifuge (roue de compresseur) par l'extrémité ou ce trouve l'écrou, et la faire bouger suivant le plan perpendiculaire a l'axe de rotation (flèche rouge). Il ne doit y avoir qu'un très léger jeu a peine perceptible (jeu des paliers). Pour l'autre jeu (flèche bleu), on fait bouger de la même manière, mais cette fois si suivant l'axe longitudinale, et la il ne doit y avoir aucun jeu. Dans le cas contraire, cela signifie que la butée et les joints on trop souffert, et demande a être changés (kit de réparation).
    -l'aspect des fontes. La on vas observer l'état du carter d'échappement, et en particulier si celui ci n'a pas de fissure, regarder particulièrement la partie qui part de la bride du collecteur, et qui vas a la porte de débrayage de la Wastegate.
    Voila, après ces contrôles, il y a de grande chance pour que le turbo soit en bonne état.
    Mais avant le remontage, assurez vous d'un dernier point.
    l'état des canalisations. les conduits ou durites d'huile et d'eau(si il y a) ne doivent pas être bouchées! Pour le remontage n'oubliez surtout pas de réamorcer le circuit d'huile du turbo en le gavant d'huile la durite d'arrivé (bien sur celle de retour sera branché au moteur) et au besoin fait une dizaine de tour du rotor a la main (pour bien huilé les paliers).

    !

    les bagues, paliers et autres roulements   
    Les turbos sont en règle général ( 99 %) montés sur bagues en bronze lubrifiées par un film d'huile sous pression.   
    Les roulements sont utilisés en compet' pour améliorer le temps de réponse des turbo ( le lag ) et la vitesse maxi de rotation du turbo.   
    Le problème des roulements est qu’ils ne doivent pas dépasser une température bien précise pour ne pas gripper ( problème de dilatation ) c'est pour cela que tous les turbos à roulement ont un Refroidissement à eau.  
     
    Attention tous les turbos à Refroidissement par eau ne sont pas sur roulement .   
     
    Les turbos (sur bagues ) on parfois un Refroidissement par eau pour éviter la cokéfaction ( brûler ) de l'huile qu’il utilise.  
    En règle général, le Refroidissement par eau est utile que lorsqu'on coupe le moteur , la chaleur des carters se propage sur les paliers remplis d'huile inerte ( le moteur éteint l'huile ne circule plus ) et brûle l'huile ce qui bouche les bagues et crame le turbo.   
     
    Différences entre un turbo sur bagues et sur roulements  
    On vois bien la différence de rapidité de charge entre bague et roulement  
    ( on le ressent bien sur route au changement de rapport ou sur les big turbo qui chargent plus vite sur les petits rapports )  
     
    Roulement et bagues bronze   
    Petite précision , les bagues bronze ont besoin de 3 à 5 bars de préssion d'huile ( c'est l'huile entre l'axe et les bagues qui fiabilisent le turbo)  
    sur un turbo a roulement , max 1.5 bar d'huile ( les roulements ont juste besoin d être lubrifier) donc utilisation de réducteur de pression obligatoire !!!!  
     


     le trim.  
     
    Quand vous achetez un turbo de compet', on vous parle souvent du trim que vous voulez.   
    Le trim est une chose simple, c'est juste la différence de diamètre d'entrée et de sortie de la roue de compresseur ou de la turbine bon, je vois que vous n’avez pas bien compris pour le trim !!!   
    Pas encore une explication mais avec un exemple !!!!  
     
    Pour calculer ce que l'on appelle la trim du compresseur,voilà la formule  
    on multiplie le grand diamètre (GD) par le grand diamétre après on multiplie le petit diamètre (PD) par le petit diamétre on récupère le 2 résultat et on divise le petit diamètre par le grand le chiffre trouvé donne la trim.  
     
    GD X GD = RGD (82x82=6724)  
    PD X PD = RPD (60x60=3600)  
    RPD diviser RGD = trim  
    3600 / 6724 = 0.535 (54)   
     
    Pour information, les roues de compresseur qui ont le meilleur rendement on en règle général un trim entre 50 et 62.