Comme nous le savons, tout moteur à combustion interne fonctionne grâce à la combustion, une réaction chimique entre un combustible (essence, gazole, méthane…) et un comburant (l’air) qui libère l’énergie employée pour le mouvement des pistons. La quantité d’énergie libérée par la combustion dépend de la quantité de combustible utilisée : plus celle-ci est importante, plus l’énergie libérée est élevée, jusqu’au moment où, à volume de chambre de combustion égal, la quantité d’air devient trop faible pour garantir une bonne combustion, ce qui provoque le noyage du moteur. Mais la combustion dépend aussi de la qualité des réactifs : l’indice d’octane du combustible, mais également la densité de l’air aspiré. Reprenons la formule de la puissance présentée dans l’article consacré au fractionnement du moteur. (cliquez ici pour consulter l’article)
La puissance Wu est directement proportionnelle à la densité de l’air ρo et il existe deux moyens d’accroître cette densité et, par conséquent, la puissance, à savoir :
• en augmentant la pression, au moyen des turbocompresseurs.
• en réduisant la température, au moyen d’échangeurs de chaleur, qui prennent dans le domaine automobile le nom d’intercooler.
Le turbocompresseur est un dispositif mécanique qui accroît la densité de l’air en exploitant l’énergie contenue dans les gaz d’échappement. Le dispositif peut être divisé en deux sous-ensembles : le compresseur (à gauche de l’arbre de transmission At) et la turbine (à droite).
Sur la figure : schéma de fonctionnement d’un turbocompresseur générique
Le compresseur reçoit l’air à traiter par l’entrée Ba, qui le conduit directement vers la roue centrifuge Gc. Cette roue se caractérise par des aubes courbées vers l’arrière, fruit de recherches en mécanique des fluides accompagnées du développement de matériaux toujours plus résistants sur le plan mécanique et thermique. Cette forme contribue en partie à l’augmentation de la pression, car c’est le diffuseur Dc qui transforme l’énergie cinétique de l’air en la part de pression manquante pour les conditions de fonctionnement. Ensuite, l’air est envoyé vers la volute Cc, qui le dirige vers le moteur ou vers l’éventuel intercooler.
Sur la figure : aubage d’une roue de compresseur
Sur les moteurs à essence, une soupape peut être interposée entre le papillon et le compresseur : la soupape pop-off. Son rôle est d’évacuer l’air comprimé lors des phases de lever de pied. En effet, au lever de pied, le compresseur continue de traiter l’air par inertie de la roue et l’expédie vers le papillon. Le papillon fermé fait alors barrage et repousse l’air comprimé vers la roue, ce qui donne naissance au coup de bélier, un phénomène de mécanique des fluides nuisible au turbocompresseur.
Une fois que la charge a été employée pour la combustion et expulsée du moteur, elle est envoyée à la turbine et s’engage dans la volute Ct. La charge est ensuite dirigée vers le distributeur Dt. Le rôle de ce distributeur est de donner à l’air chaud un mouvement à dominante tangentielle par rapport aux aubes de la turbine, de manière à maximiser la conversion de l’énergie thermique en énergie cinétique. Les aubages de la turbine ont eux aussi été développés de façon analogue à ceux du compresseur.
Sur la figure : aubage d’une roue de turbine
Il peut arriver que l’énergie contenue dans les gaz d’échappement soit critique et provoque des anomalies ou des dommages au turbocompresseur. C’est pourquoi l’on emploie la soupape dite wastegate V, qui évacue l’air chaud excédentaire dans l’atmosphère par un conduit placé en aval de la turbine. L’ouverture de la soupape est réglée par un actionneur électronique A. Une fois la roue traversée, les gaz d’échappement sortent par la bouche d’échappement Bs. Un diffuseur Ds peut parfois être placé à la sortie de cette bouche afin de permettre à la turbine de récupérer le maximum d’énergie utile supplémentaire. L’énergie cinétique ainsi obtenue est transmise à la roue du compresseur par l’arbre de transmission At.
Un défaut caractéristique des turbocompresseurs est le turbo-lag, c’est-à-dire le retard de réponse du turbocompresseur. En effet, lors d’une accélération à bas régime, les gaz d’échappement ne disposent pas encore de l’énergie nécessaire pour vaincre l’inertie de la roue de turbine et comprimer ainsi l’air selon les exigences du conducteur. Cette demande ne pourra être satisfaite qu’après un certain délai à compter de l’action sur l’accélérateur. Pour remédier à ce retard, des solutions telles que l’installation de turbines en parallèle ou en série ont été mises en œuvre. Avec la configuration en parallèle, on emploie des turbocompresseurs plus petits et donc plus légers, capables d’offrir une réponse plus vive tout en fournissant ensemble la pression de suralimentation requise. Avec la configuration en série, deux turbocompresseurs de dimensions différentes interviennent en fonction de la charge du moteur : si elle est faible, seul le petit turbocompresseur placé en amont est mis à contribution ; si elle est élevée, le plus grand entre également en action, grâce au contournement d’une partie des gaz d’échappement autrement réservée à la turbine la plus petite. Une autre solution consiste à adopter des turbines à géométrie variable. Autour de la roue de turbine sont disposées des aubes dont l’inclinaison est réglée par un calculateur programmé à cet effet. À bas régime, les aubages sont inclinés de manière à réduire la section de passage. Ce passage réduit permet aux gaz d’adopter une direction et un débit favorables à la modification de l’inertie de la roue. Il est en effet plus efficace d’avoir plusieurs petits jets bien orientés qu’un unique jet important, mais dispersé.
Sur la figure : détail d’une turbine à géométrie variable
La compression de l’air ne suffit pas à elle seule à garantir la densité d’air souhaitée pour que le moteur atteigne des performances données. La compression brutale de l’air et la transmission de la chaleur provenant de la turbine à travers le corps du turbo entraînent une hausse de sa température, ce qui contribue à réduire la densité par rapport aux valeurs prévues par le projet. Pour permettre au moteur de recevoir la densité d’air souhaitée, un échangeur de chaleur, ou intercooler, est interposé entre le turbo et le moteur. L’intercooler peut refroidir l’air, et donc en augmenter la densité, au moyen de l’air ambiant (système air-air) ou du liquide de refroidissement (système air-eau).
Sur la figure : intercooler
Testo: Riccardo Casini
Foto: © Car-Shooters e poi:
Immagine turbocompressore tratta da “Motori ad alta potenza specifica”, di Giacomo Augusto Pignone e di Ugo Romolo Vercelli, Ed. Giorgio Nada
Foto dettaglio compressore di Freonr2 at English Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1920185
Foto dettaglio turbina di Freonr2 at English Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1880641
Foto dettaglio turbina a geometria variabile di User:Ton1 – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1242282
Foto intercooler di Freonr2 di Wikipedia in inglese, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6570150