Principe fonctionnement d'un turbo

Preambule.

Turbo classique.

Le graphique débit/pression d'un turbo.

La TRIM.

Le rapport A/R du carter d'echappement.

Le turbo de type VAT.

Le turbo de type VNT.

Controle rapide de l'etat d'un 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.
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






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.








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 echappement.



Cette abaque est encore plus simple a lire que celle du compresseur. Il s'agit seulement de lire le regime d'accorche auquel le turbo aura surmonter ca propre inertie pour fournir en pression le circuit de suralimentation. Ainsi sur l'axe des ordonnees sera indique le ratio de pression entre la pression collecteur, et la pression sortie de turbo, sur les abcisses il s'agit du debit moteur a l'echappement. Ainsi en generale au debit moteur pres on constat qu'il suffit d'un ratio de pression oscillant entre 2 voir 2.5 pour que la turbine donne toute ca puissance et soit saturee par le debit moteur (WG pratiquement totalement ouverte).









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'echappement...




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 ...








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.








Controle rapide de l'etat 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'attentionnera a vérifier qu'il n'y ai pas de pale casser, ou écorné. 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. Il ne doit y avoir qu'un très léger jeu a peine perceptible (jeu des paliers). Pour l'autre jeu, 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 Wastgate.
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 durties d'huile et d'eau(si il y a) ne doivent pas être bouchées! Pour le remontage n'oublié surtout pas de réamorcer le circuit d'huile du turbo en le gavant d'huile par 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).

Source : http://suralimentation.chez-alice.fr/automobile.htm