MOTEURS À PISTONS
LES MOTEURS TURBOCOMPRESSÉS
Un peu d'histoire
C'est Louis Renault qui eut le premier l'idée qu’en forçant plus d’air à entrer dans les cylindres on pouvait augmenter sensiblement la puissance d’un moteur sans en changer les dimensions. En décembre 1902 il dépose un brevet pour « un dispositif augmentant la pression des gaz admis dans les cylindres des moteurs à explosion, consistant à intercaler un ventilateur ou un compresseur… ».
En 1905, Albert Büchi, ingénieur Suisse invente un « compresseur centrifuge et turbine entraînée par les gaz d'échappement ».
Durant la Guerre de 14-18, les pilotes avaient besoin d'avions capables d’aller toujours plus vite et plus haut.
En 1916, Auguste RATEAU, ingénieur Français développe un turbocompresseur pour les moteurs d'avions. Les moteurs gagnaient un peu en puissance, mais surtout pouvait fonctionner à une altitude beaucoup plus élevée, en leur permettant d'atteindre une altitude de 5000 mètres.
Turbocompresseur
Lorsque l'altitude augmente la densité de l'air par rapport au niveau de la mer diminue de 25 % à 3000 m, de 50 % à 6000 m. Ainsi lorsque l'avion atteint une altitude à laquelle la puissance utile ne permet plus de monter, on dit qu'il a atteint son plafond. Voir Mécanique du vol/ Plafond de propulsion.
Pour augmenter la puissance d'un moteur, il y a plusieurs solutions :
1 - Accroître la cylindrée,
2 - Augmenter la vitesse de rotation,
3 - Lui fournir plus d'énergie, donc plus de carburant.
La technologie du turbocompresseur entre dans la troisième catégorie. C'est la méthode la plus efficace pour augmenter la puissance d'un moteur. Les turbocompresseurs sont alimentés par les gaz d'échappement d'un moteur. Cela signifie qu'un turbocompresseur récupère l'énergie provenant des gaz d'échappement chauds qui serait autrement perdue. En effet, plus de 35 % de l'énergie libérée par la combustion du carburant est perdue dans l'échappement.
Un second avantage de turbocompresseurs est sa capacité de maintenir une pression d'admission constante du niveau de la mer jusqu'à une certaine altitude, appelée altitude de rétablissement. Au-dessus de cette altitude critique, la pression d'admission commence à diminuer, comme sur un moteur atmosphérique standard.
Principe de fonctionnement
Le turbocompresseur
Une turbine placée dans le flux des gaz d’échappement sortant du moteur est entraînée à grande vitesse (partie rouge dessin ci-dessous). Elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur (partie bleue). Ce compresseur de type centrifuge aspire et comprime l’air ambiant, l’envoie dans les cylindres, en passant éventuellement par un échangeur air/air (intercooler) pour le refroidir, pour les trois raisons suivantes :
- 1 la compression échauffe les gaz et la température de ces gaz est aussi l'un des principaux facteurs entraînant l'auto-allumage.
- 2 un gaz chaud étant moins dense qu'un gaz froid, il contient moins de molécules d'oxygène à volume identique. On pourra donc brûler moins de carburant et les gains liés au turbo seront moindres.
- 3 le rendement d'un moteur dépend en partie de la température de l'air entrant et celle des gaz d'échappement. Plus la différence entre ces températures sera élevée, meilleures seront les performances du moteur. Une augmentation de la température d'admission dégrade donc le rendement moteur.
Le fait d’envoyer l’air comprimé dans les cylindres permet d’améliorer le remplissage de ces derniers, qui sinon se remplissent par dépression, et permet donc d’augmenter sensiblement la quantité du mélange air/carburant. La puissance du moteur s'accroît tout en diminuant sa consommation. On obtient ainsi la même puissance qu'un moteur de cylindrée supérieure, tout en réduisant les pertes mécaniques liées aux grandes cylindrées.(Source Wikipédia)
Schéma de principe simplifié
Le turbocompresseur typique (ci-dessous) est composé de trois parties principales :
1 - Un compresseur
2 - Une turbine
3 - Un arbre monté sur paliers huilés reliant le compresseur à la turbine.
Schéma d'un moteur turbocompressé à 6 cylindres
Turbocompresseur typique
Un papillon de régulation permet de contrôler le volume des gaz d'échappement qui est dirigé vers la turbine et régule ainsi la vitesse du rotor. Si le papillon est complètement fermé, tous les gaz d'échappement sont «sauvegardés» et forcés à passer à travers la turbine. Si le papillon est partiellement fermé, une quantité correspondante de gaz d'échappement est dirigé vers la turbine. Lorsque le papillon est complètement ouvert, presque tous les gaz d'échappement passent directement dans la pipe d'échappement et fournissent peu ou pas d'énergie pour faire tourner la turbine.
