Fonctionnement d'un turbo

Pour la petite histoire l'invention du turbo s'est faite au début du 20ème siècle vers 1905 par Alfred Büchi qui est un ingénieur suisse.

 
Voici le fameux turbo-compresseur, dont le rôle est de mieux faire respirer le moteur.

Un turbocompresseur est composé de deux "hélices" reliées entre elles (une turbine et un compresseur).

Le principe du turbo est le suivant, les gaz d'échappement rejetés par le moteur font tourner une turbine (en rouge sur le schéma). Cette turbine est reliée par un axe à une deuxième hélice (en bleue) qui aura comme rôle d'envoyer une grande masse d'air vers l'admission (l'air qui s'accumule finit par se compresser, d'où le nom de turbocompresseur). Cet air compressé sera envoyé dans le moteur augmentant alors l'apport d'oxygène (qui est d'environ 20% de l'air au passage) dans la chambre de combustion, favorisant ainsi la puissance (plus il y a d'air, plus on peut mettre de carburant).
La pression peut être régulée par l'électronique via la wastegate, voir plus bas pour plus de détails.

A noter que si un moteur peut atteindre quelques milliers de tours/minute (voir votre compte tours), la turbine d'un turbo peut dépasser sans problème 200 000 tours par minute ! Ce qui représente une fréquence très importante, montrant ainsi les contraintes que peuvent subir les ailettes et roulements ... Ailettes qui peuvent être mobiles, ce que l'on appelle alors turbo à géométrie variable.

Objectif du turbo

Il est très simple, et son appellation nous donne la réponse : suralimentation.

C'est donc un organe destiné à booster les moteurs, à savoir pouvoir les gaver encore plus en air et en carburant. Car si on est normalement limité à la cylindrée et la pression atmosphérique (sur d'autres planètes, on pourrait avoir des moteurs atmosphériques qui ont plus de 1 bar de pression à l'admission en plaine charge : papillon totalement ouvert), ce n'est plkus la cas si on peut forcer plus d'air à y entrer (accroître la pression donc).

On peut alors obtenir bien plus de puissance pour une même cylindrée. Et un moteur de 1.5 litres peut alors pouvoir engloutir autant d'air et de carburant qu'un 2.5 ! Cela permet donc de vendre des moteurs plus petits qu'avant tout en proposant des puissances identiques, voire même supérieures.

Atmosphérique (gauche) / Suralimenté (droite)



Avec un turbo j'ai plus de comburant (= air) dès les plus bas régimes : j'ai donc plus de puissance à cylindrée équivalente sur ces plage de régimes. En revanche, je peux aller moins haut dans les tours, ma courbe s'arrête donc avant (trop de tours peut casser le turbo). Le total de puissance est donc aussi plus important puisque mon moteur peut ingérer plus de comburant et carburant pour un cycle.

Comme à bas régime le turbo ne fonctionne quasiment pas, on se retrouve avec un moteur plus sobre en conduite calme (qui consomme comme un petit moteur), et c'est tout l'avantage de la suralimentation aujourd'hui : limiter la casse côté malus en proposant des moteurs qui se débrouillent bien aux cycles d'homologation WLTP. En revanche, dès qu'on tire dessus, notre petit 1.5 pas trop glouton devient un 2.5 très vorace ! Voilà pourquoi la différence entre consommations officielles (NEDC / WLTP) est si importante avec les moteurs turbo. Car dans la réalité, personne ne se limite à la plage basse (régime) d'utilisation du moteur : trop creux et désagréable donc. C'est d'autant plus accentué sur les moteurs essence, les diesels étant bien moins traitres grâce à leur couple important dès les bas régime (qui n'incite donc pas à aller plus loin dans les tours).

Lubrification du turbo

Le turbo doit être lubrifié au niveau de son axe central. Et comme un roulement à billes ne suffit pas pour résister à de telles régimes (plus de 100 000 t/min), il faut utiliser un palier. Un palier doit continuellement être alimenté en huile pour qu'il fonctionne, et ici on utilisera celle du moteur.

Voici l'axe central à lubrifier

Intercooler / échangeur ?

Pour accroître les capacités du turbo (et plus largement l'admission d'air), il faut refroidir l'air compressé. En effet, il faut savoir que tout gaz que l'on compresse gagne en température (c'est même le principe de base de la climatisation), c'est un phénomène physique élémentaire.
En comprimant l'air, le turbo finit par le chauffer ... Hélas, envoyer de l'air chaud (donc dilaté) dans le moteur n'est pas idéal (plus l'air est froid moins il prend de place, on peut donc mettre plus d'air froid dans un même volume que d'air chaud) ...
Pour palier à cela, on utilise l'intercooler (changeur thermique) qui permet tout bêtement de refroidir l'air compressé par le turbo avant de l'envoyer dans les chambres de combustion. On peut donc gaver encore plus le oteur.

Wastegate / actuateur / soupape de décharge ?

Voici le turbo connecté au collecteur avec en bas à gauche la commande pneumatique de wastegate

Pour éviter qu'il y ait une surpression à l'admission (qui peut endommager moteur et turbo), les ingénieurs ont installé un système qui permet de limiter cette dernière, cela s'appelle la Wastegate. Son rôle est donc d'évacuer toute pression excédentaire de celle tolérée par le circuit de suralimentation. Sachez qu'il peut être directement intégré au turbo ou alors être séparé de celui-ci, mais la disposition différente ne change pas son principe.
De plus, c'est l'électronique qui commande cette dernière par le biais d'une électrovanne sur les voitures plus modernes (la simple pression dans l'admission sert à commander les plus anciennes). On peut donc modifier le comportement de celui-ci (accepter plus ou moins de pression) pour obtenir plus de puissance, ce que l'on appelle généralement un reparamétrage de la cartographie moteur (le réglage de la pression est l'un des paramètres, comme la pression à l'injection).

Voici une autre wastegate, pilotée cette fois-ci de manière électrique

Booster son turbo

Deux moyens permettent d'améliorer les performances de son turbo :

• Modifier la wastegate permet d'accroître la pression du turbo à l'admission (attention, cela doit être fait par des professionnels)
• Changer l'intercooler pour un modèle plus gros afin de mieux refroidir l'air (et donc d'en mettre plus dans le moteur puisque l'air froid prend moins de place)

Compresseur VS Turbo

Le compresseur (plus rare), reprend le principe du turbo (on peut même dire que c'est la même chose ... Les deux sont des compresseurs d'air). Cependant, il ne se "nourrit" pas de l'énergie dégagée par les gaz d'échappement mais utilise directement l'énergie mécanique du moteur. De ce fait, il ne peut pas tourner aussi vite qu'un turbo (les gaz d'échappements permettant des rotations très élevées). Chacun a ses avantages et inconvénients : un compresseur (Supercharger en anglais) fonctionne plus tôt dans les tours mais est limité en vitesse de rotation tout en prenant un peu plus d'énergie au moteur (il y a aussi une résistance pour les turbos au niveau de l'échappement des gaz avec une sorte de bouchon mais elle est moindre.). Un turbo se déclenche plus tard car en bas régime les gaz d'échappement ne sont pas assez puissants (il y a donc généralement un creux de puissance en bas régime) mais peut en revanche faire des miracles dans les hauts régimes. On peut donc dire qu'un turbo a plus de capacités mais qu'en contrepartie un compresseur permet de gagner en couple dès les plus bas régimes.

De plus, certains constructeurs ont opté pour deux turbos, chacun calibré pour une tâche différente. Un petit s'occupe des bas régime et l'autre des hauts régimes, et d'autres vont même jusqu'à implanter 3 turbos (BMW : 550d)

A géométrie variable ?

Les turbos plus récents s'accolent des ailettes rotatives que l'on appellera alors turbo à géométrie variable. L'avantage est de rendre encore plus efficient le turbocompresseur en faisant varier l'inclinaison des ailettes selon la vitesse de l'air qui s'engouffre. On peut comparer cela aux ailes d'un avion qui ont des volets mobiles, en fonction de leur position on agit sur l'aérodynamique.
Notez au passage que ce type de turbo améliore l'agrément en évitant que ce dernier ne s'active trop brutalement. Ici il se met à fonctionner de manière plus progressive, amenant alors une plus grande souplesse d'utilisation (bien que cela soit assez anecdotique au final ...). Hélas, sa technicité avancée (mobilité des ailettes) le rend aussi plus fragile (plus de complexité = plus de dysfonctionnements possibles). Si les ailettes perdent leur mobilité (grippage avec le temps) le fonctionnement sera largement altéré.

La flèche en blanc indique les petites ailettes mobiles. Elles sont donc à géométrie variable.


Une autre déclinaison

Turbo électrique ?

De plus en plus d'éléments sont devenus électriques dans nos voitures, cela permet de réduire la consommation de carburant. C'est d'ailleurs le cas des directions assistées électriques qui permettent de ne rien consommer en ligne droite (quand on ne tourne pas le volant donc) contrairement à une pompe fonctionnant par la force du moteur (courroie accessoires).
Le turbo est désormais en ligne de mire avec de plus en plus d'équipementiers qui pensent à le rendre électrique. La multiplication des voitures hybrides (beaucoup de ressources électriques grâce aux batteries) semble favoriser ce phénomène.
D'un point de vue technique, on peut dire qu'on a affaire ici à une fusion entre le turbo et le compresseur (turbo car il tourne à des vitesses très élevées et compresseur car il ne s'alimente pas par les gaz d'échappement).

Exploitation de la dilatation de l'air

Suite à un mail très sympathique envoyé par un certain Lucien, je me devais d'apporter un complément d'information. En effet, dire que le turbo se nourrit uniquement des flux d'air provoqués par les gaz d'échappement reste un peu réducteur. En effet, la force des gaz d'échappement est accrue par la dilatation de l'air ...
Résumons un peu, le moteur reçoit de l'air froid à l'admission (en tout cas les ingénieurs font tout pour que ce soit comme ça) car l'air froid prend moins de place que l'air chaud (dilatation du gaz).
Mais revenons à notre moteur, le gaz froid qui entre dans le moteur va être chauffé par la combustion interne, et c'est d'ailleurs cette dilatation qui permet de faire bouger le piston de haut en bas (suite à "l'explosion"). On peut donc déduire que les gaz sortant à l'échappement prendront plus de place (d'autant plus qu'il contient aussi le carburant brulé) par rapport au gaz qui entre dans le moteur, ce qui fera d'autant plus tourner la turbine.

On peut donc déduire que l'énergie produite par la dilatation des gaz est récupérée gratuitement pour améliorer les performances du moteur (on utilise cette énergie pour compresser l'air d'admission et l'envoyer dans le moteur), et c'est cela qui permet de réduire les consommations même si le problème reste assez fin et très technique à étudier (selon le régime et la charge moteur, ces économies peuvent se transformer en surconsommation, car en gavant le moteur d'air il faut alors aussi le gaver en carburant pour garder un bon rapport stoechiométrique)

Cet avantage est alors inexistant sur un moteur doté d'un compresseur simple (alimenté par la force du moteur et non pas par les gaz d'échappement) qu'on appelle en anglais supercharger.