LE TURBO, BOURREAU ENTRE EMISSION D'OXYDES D'AZOTE ET POUSSIERE FINE

La technologie turbo aujourd'hui et demain

Deux des malfaiteurs pour l'environnement et l'homme sont le NOx, qui crée l'ozone et les pluies acides, et le PM, les particules de suie nocives pour les voies respiratoires. Pour garder le NOx bas, la température dans la chambre de combustion doit baisser. Pour garder le PM bas, nous devons ajouter de l'oxygène, ce qui fait grimper la température. En d'autres termes, il est impossible d'exceller dans les deux scores. La technologie turbo semble être un bourreau dans ce processus.

COMBUSTION OPTIMALE?

Pour satisfaire aux deux limites, NOx et PM, nous avons besoin d'une combustion optimale. L'utilisation de compresseurs et le perfectionnement de la pression turbo créée, voilà un sérieux bourreau. La pression effective moyenne sur le piston est déterminée par le rapport de compression, le degré de remplissage et l'évolution du processus de combustion, avec l'accent sur le degré de remplissage, qui endosse le rôle principal. Pour garder ce degré de remplissage à son plus bas niveau, les résistances à l'aspiration, le filtre à air, la tubulure d'admission, ... doivent être les plus minimaux possibles. A l'inverse d'un carburateur sur les moteurs à essence, l'injection augmente la puissance en éliminant les résistances. La façon la plus efficace d'optimiser le degré de remplissage est la suralimentation, alias la turbocompression.

 

TURBO

Turbo est la contraction de TURbine et BOoster. Les gaz d'échappement entraînent le rotor du côté turbine, qui entraîne à son tour le côté compresseur. Le compresseur comprime l'air sous pression via le conduit d'échappement du moteur. Ceci augmente la quantité d'air dans la chambre de combustion. L'air comprimé signifie que l'on doit injecter moins de carburant dans les cylindres, avec comme résultat un gain de puissance.

Par l'utilisation des gaz d'échappement, cela ne coûte pas plus d'énergie au moteur. Les moteurs diesels modernes avec leur large distribution du régime ont besoin d'une haute pression de turbo à bas régimes, tandis que les moteurs à essence actuels demandent beaucoup de puissance à hauts régimes et donc à des températures de gaz d'échappement plus élevées. Ceci explique que le type de matériau et la (forme de) construction du turbo diffèrent pour l'essence et pour le diesel. Dans le monde du camion, le turbo est la solution pour extraire une puissance accrue d'un 'moteur plus petit' et augmenter ainsi la capacité de charge utile et optimiser le retour sur l'investissement.

TYPES

L'air comprimé peut être produit de différentes manières:

• La pression pulsatoire est peu utilisée aujourd'hui. Outre l'obtention de la force de pression, il y a un entraînement mécanique entre le moteur et la compression.

• La compression mécanique, retire sa force de pression du vilebrequin, la liaison mécanique entre le moteur et la compression. Nous avons une compression mécanique sans et avec compression interne. L'un des compresseurs les plus utilisés sans compression interne est le compresseur Roots, qui agit comme une pompe. Quand le compresseur délivre plus d'air que ce que peut digérer le moteur, il se crée une surpression dans l'admission. Le compresseur à spirale, mieux connu comme compresseur G, utilise la compression interne. Le désavantage de ce système sont les frais élevés, d'où sa disparition du marché.

• La compression des gaz d'échappement (turbocharging) agit selon le principe d'une pression constante. Le turbo-compresseur n'est rien d'autre que le compresseur entraîné par les gaz d'échappement. Plus l'énergie dans les gaz d'échappement est grande, plus le régime de la turbine est élevé.

• La compression à registreest l'un des développements les plus récents. Le processus est initié par un grand turbo qui reprend d'un petit turbo l'amenée d'air vers le moteur. La résultante est une puissance accrue (jusqu'à 20%), plus de couple à plus bas régimes et une plage de régime élargie.

FONCTIONNEMENT

La voiture idéale serait équipée de deux moteurs: un premier pour amener la voiture à la vitesse désirée et un second pour maintenir cette vitesse. C'est faisable, mais exagéré. Un turbo est la solution à cette idée utopique. Cette technique compliquée à première vue repose sur des principes simples. Les gaz d'échappement déplacent la rue de turbine dans le turbo. La roue de turbine entraîne une roue de compresseur via un arbre rigide. A son tour, cette roue aspire de l'air et comprime l'air. Au moment où la soupape d'admission s'ouvre, l'air comprimé s'écoule dans la chambre de combustion. Plus les gaz d'échappement fournissent de l'énergie, plus le régime augmente dans le turbo. Ceci crée plus d'air, plus d'air signifie une meilleure combustion et une meilleure combustion signifie plus de puissance. En matière de technique de courant, le turbo et le moteur ne sont reliés que par l'air d'admission et les gaz d'échappement. Une meilleure combustion d'une plus grande quantité de carburant est toujours le résultat et ce, pour une cylindrée identique.  

AVANTAGES ET DESAVANTAGES

Avantages du turbo:

• Un turbo permet d'extraire une puissance relativement élevée d'un petit moteur.
• Une consommation plus favorable.
• Une plus faible émission de substances nocives.
• Le turbo agit comme silencieux d'échappement supplémentaire.
• Le moteur turbo conserve ses performances à hauteurs plus grandes, grâce à la plus faible contre-pression de l'air plus rare.

Désavantages du turbo:

• Le trou turbo. Sur les voitures plus anciennes, le turbo n'agit qu'après avoir atteint certains régimes. Ceci est aujourd'hui résolu par la géométrie variable et le R2S.
• La chaleur. Les températures peuvent grimper jusqu'à 800 °C, ce qui échauffe l'air d'admission, ce qui résulte en un air plus pauvre en oxygène.
• Une charge accrue, par la puissance plus élevée, au détriment de la longévité. A conseiller: bien laisser refroidir le moteur après l'utilisation et rouler à chaud autant que possible.

CONSTRUCTION

Compresseur

Le corps de compresseur en aluminium et la roue de compresseur forment le compresseur. La forme assure la compression de l'air, tandis que la taille est fixée par les spécifications du moteur. La roue de compresseur est placée rigide sur l'arbre de turbine, d'où des vitesses de rotation identiques. La forme des ailettes assure l'aspiration de l'air. L'air aspiré est pressé contre la paroi du corps, puis l'air comprimé est guidé vers le cylindre via la tubulure d'admission. En raison des hautes vitesses de rotation sur les turbos modernes, nous avons vu les roues de compression évoluer des roues planes aux roues renforcées à l'arrière. Récemment sont aussi apparues des roues 'boreless', qui ne sont plus entièrement percées et supportent ces vitesses de rotation plus élevée. La conséquence favorable se voit dans une évolution favorable sur le plan de la fatigue du matériau.

Soupape de recirculation

Une soupape de recirculation, de plus en plus présente, s'ouvre automatiquement quand la pression cesse dans l'admission et redirige l'air à l'échappement du compresseur vers l'admission du compresseur. En relâchant la pédale des gaz ou en freinant, cette soupape maintient la vitesse du turbo, ce qui le rend immédiatement réutilisable pour réaccélérer.

L'intérieur

L'intérieur, dans lequel est montée la garniture de palier, constitue la liaison entre le corps de compresseur et le corps de turbine. Dans la garniture de palier se trouve l'arbre de turbine rigide avec des deux côtés les roues des ailettes. Les ailettes de deux roues sont inversées, ce qui fait que l'air provenant du filtre à air est aspiré. L'huile moteur, assurant le graissage et le refroidissement, est injectée entre la garniture de palier, les paliers et les paliers avec l'arbre de turbine. Les ressorts de piston que nous retrouvons des deux côtés, agissent comme joints. Dans le cas d'une chute de pression ou d'une pression réduite des gaz d'échappement à cause de dégâts, une fuite d'huile se produira du côté turbine. Le ‘thrust collar’, la backplate (plaque d'étanchéité) et le ressort de piston empêchent, en combinaison avec la pression d'admission, la fuite d'huile du moteur au ralenti.

Turbine

Le corps de turbine et l'arbre de turbine forment la turbine. Le corps en fonte dans les moteurs à essence contemporains résiste même à des températures d'env. 1.000 degrés. Le rétrécissement dans le corps de turbine assure une accélération dans les gaz d'échappement. La roue de turbine est soudée à l'arbre. A hauteur de cette soudure, l'arbre est creux pour compliquer le transport de chaleur entre l'arbre et la roue comme un pont thermique. Du côté turbine, l'arbre comporte une rainure intégrant un ressort de piston. L'extrémité de l'arbre traverse la roue de compresseur et enferme le rotor par un écrou de blocage. La forme de volute chasse les gaz autour de la roue de la turbine. La cylindrée, le régime et la puissance désirée déterminent la taille et le passage de la turbine. Un actuateur, monté sur le corps de compresseur, est une membrane qui ouvre la 'waste gate' (soupape de surpression), quand la pression augmente trop. Ainsi, une partie des gaz d'échappement est guidée autour de la turbine.

 

BON A SAVOIR

• Un turbo peut passer en quelques secondes de 20.000 à 100.000 tours par minute.
• La fumée bleue au ralenti trahit une pression de carter accrue, mais un turbo complètement cassé peut aussi être la cause.
• Un turbo qui fonctionne bien, est à peine audible.
• L'augmentation de la pression de turbo induit couramment des dégâts.
• Un moteur usé avec pression de carter peut causer une pression d'huile accrue dans le turbo.

EXTRA

Intercooler

La compression de l'air fait monter la température, avec comme conséquence une baisse de la teneur en oxygène. Pour optimiser la combustion, nous avons justement besoin de plus d'air. Avant d'envoyer l'air dans le cylindre, nous le refroidissons en guidant l'air entre le turbo et le moteur via un radiateur, l'intercooler.

Commutation parallèle

Plusieurs turbos peuvent être incorporés, p.ex. sur les moteurs en V. Couramment des turbos plus petits qui réagissent plus vite à l'accélération. Deux turbos plus petits donnent un meilleur rendement qu'un grand. L'inconvénient est le coût et sur le plan technique, la synchronisation des turbos. Les turbos placés en série créent un effet accru.

Géométrie variable

Les turbos à géométrie variable règlent la pression du turbo en agissant sur le flux d'air et son passage. En y recourant, la taille du passage est adaptée à la force de traction demandée et à la vitesse maximale. Les palettes mobiles assurent le bon passage d'air.

Electronique

Avec le renforcement constant des exigences environnementales, l'électronique fait aussi son entrée. Des ordinateurs calculent la pression de turbo optimale à chaque régime. Un actuateur électronique, en série, permet la réaction rapide du turbo.

Twin turbo (r2s)

La technique Twin Turbo (ou R2S) est apparue en réponse aux nombreux problèmes électroniques avec une géométrie variable. Un grand turbo reprend au bon moment l'amenée d'air vers le moteur d'un petit turbo. Une puissance accrue, un couple accru à bas régimes et une large plage de régime résultent en un gain de puissance de plus de 20%.

TURBO EN PRATIQUE

Nous savons des données précédentes qu'un turbo est perçu comme très complexe, et à raison. Les turbos peuvent être révisés (par des entreprises spécialisées). Chaque problème connaît sa solution, mais le mieux est encore de prévenir.

Troubleshooting

Les dégâts aux turbos sont couramment des dégâts consécutifs. Un turbo est un élément très sensible, il est conseillé de ne pas remplacer un turbo cassé sans chercher la cause de la cassure.

• Le principal responsable est une lubrification insuffisante. Ceci crée un transfert de chaleur, ce qui brûle ou carbonise l'huile avec comme conséquence des paliers grippés et la rupture de l'arbre de turbine. Outre la lubrification, l'huile assure le refroidissement. Une huile souillée introduit de petites particules dans le turbo qui agissent comme papier abrasif. Les petites particules de saleté s'accumulent dans les fines conduites et les obstruent. La saleté dans l'huile se carbonise et se dépose sur l'intérieur. Donc: suivez le schéma d'entretien du constructeur, car outre le remplacement du filtre à huile, le filtre à air figure au menu.

• Aspirer un objet étranger peut causer bien des dégâts aux ailettes et à l'arbre. La liaison entre le filtre à air et le turbo doit être exempte de fuite et propre. Il est conseillé de laisser tourner le moteur quelques minutes ou de rouler lentement les derniers kilomètres pour refroidir le turbo et bien le lubrifier si la voiture a effectué un trajet avec des régimes de turbo élevés.

• Un échappement obstrué, un problème au catalyseur ou une soupape EGR qui fonctionne mal, crée une trop forte contre-pression. Une contre-pression accrue entraîne l'usure du ressort de piston de l'arbre de turbine avec comme conséquence une fuite d'huile vers le côté turbine. Des particules de carbone dans la garniture de palier indiquent ce problème.

• Un intercooler obstrué ou défectueux fait grimper les températures.

• Une pompe à carburant mal réglée ou un filtre à air plus que saturé provoque aussi des hausses de température. Des températures trop élevées provoquent des fissures, ce qui crée des fuites de gaz d'échappement. Des fissures signifient une plus faible pression de turbo et une puissance réduite.

• Les moteurs exposés à des sollicitations élevées peuvent montrer au fil du temps des fissures de retrait sur les corps de turbine, qui entraînent un fonctionnement désavantageux du turbo.

• La fatigue du matériau peut aussi survenir, après une sollicitation trop longue ou trop vigoureuse. Nous ne voyons ici aucune autre trace. Une ailette peut se rompre, la roue de compresseur peut se casser, ...
  
  

QUE FAIRE LORS DU REMPLACEMENT DU TURBO

• Contrôlez les inflexions sur les conduites d'amenée et d'évacuation de l'huile ou leurs obstructions. Au moindre doute, remplacez la conduite en question.

• Changez l'huile moteur et remplacez le filtre. Veillez toujours à ce que le circuit d'huile soit entièrement rempli avant de démarrer le moteur.

• Contrôlez la ventilation de carter. La purge de carter est couramment branchée sur la conduite d'amenée d'air du turbo. Une ventilation de carter obstruée peut aussi causer des problèmes d'évacuation d'huile du turbo.

• Contrôlez l'amenée d'air complète.

• Contrôlez aussi l'échappement. Les restes de métal sont destructeurs.

• La tubulure doit aussi être exempte de fissures, autrement, le turbo ne preste pas à 100%.

• Sur un turbo fraîchement installé, le moteur doit d'abord être démarré sans être lancé pour créer la pression d'huile. Puis, on peut le lancer et grimper lentement dans les tours. Contrôlez que toutes les liaisons sont exemptes de fuite avant de passer à la pleine charge.