Turbocompresseur : structure et mode de fonctionnement

Fonctionnement

Sur un turbocompresseur, une roue de turbine est entraînée par l’énergie des gaz d’échappement perdue autrement. Un compresseur radial est entraîné au moyen d’un arbre. L’air d’aspiration comprimé de cette façon est amené ainsi au moteur. Il se forme un excédent d’oxygène. Dans la plupart des cas, on utilise sur le turbocompresseur des compresseurs radiaux et des turbines centripètes.

Représentation schématique d’un turbocompresseur Twinscroll.

» Compresseur

Mode de fonctionnement

Pour la plupart des compresseurs utilisés actuellement sur le turbocompresseur, il s’agit de turbocompresseurs radiaux. Les trois composants principaux de cet ensemble sont :

Roue de compresseur radial
Carter en spirale avec paroi arrière
Diffuseur

L’air est aspiré axialement par la rotation de la roue de compresseur et accéléré dans la roue à des vitesses élevées. L’air ainsi accéléré quitte la roue de compresseur radialement en direction du diffuseur.

Dans le diffuseur, cette énergie cinétique est transformée en énergie de pression. A cet effet, l’écoulement est retardé, la pression et la température augmentent pratiquement sans perte. Ce résultat est obtenu par l’extension continue de la section d’écoulement à l’intérieur du carter en spirale, où l’air est collecté et la vitesse est réduite jusqu’à la sortie du compresseur.

Comportement en service

Champ caractéristique de compression
d'un turbocompresseur de voiture

Pour les compresseurs radiaux, le comportement en service est décrit régulièrement par des champs caractéristiques sur lesquels le taux de compression est représenté en fonction du flux volumique ou du flux massique imposé. La zone de travail dans le champ caractéristique de compresseurs d’écoulement est limitée d’un côté par la limite de pompage et de l’autre côté par la limite de bourrage ainsi que par le régime maximal autorisé du compresseur.

Limite de pompage

On désigne par limite de pompage la zone dans le champ caractéristique où l’écoulement se détache des ailettes du compresseur en raison de flux volumiques trop petits et de taux de compression trop élevés. Cette zone est représentée par la délimitation du bord gauche du champ caractéristique. Lorsque la limite de pompage est atteinte, l'air n'est plus transporté. Celui-ci s’écoule alors en arrière à travers le compresseur jusqu’à ce qu’un flux volumique positif stable s’établisse à nouveau. Il s’ensuit un nouvel établissement de pression. Avec cette opération qui se répète rapidement, il se forme un bruit de pompage.

Limite de bourrage

Par limite de bourrage, on désigne le fait d’atteindre le flux volumique maximal. Limité par la section à l’entrée du compresseur et le fait d’atteindre la vitesse du son à l’entrée de la roue, un nouvel accroissement du débit d’air est stoppé. Les lignes de régime décroissant fortement sur le bord droit du champ caractéristique montrent la limite de bourrage dans le champ caractéristique du compresseur.

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» Turbine

Modèle et fonctionnement

La turbine d’un turbocompresseur comprend la roue de turbine et le carter de turbine. La turbine est entraînée par les gaz d’échappement du moteur et entraîne la roue du compresseur au moyen d’un arbre. Les gaz d’échappement sont accumulés dans le carter de turbine depuis l’entrée des gaz jusqu’à la roue de turbine. Cette baisse de pression et de température qui se forme ainsi est convertie dans la turbine en énergie cinétique qui entraîne la roue de turbine.

Sur les turbocompresseurs, on utilise deux tubes de turbine :

Turbines axiales
Turbines radiales

Sur les turbines axiales, la roue de turbine est traversée axialement par les gaz.
La traversée des turbines radiales s’effectue radialement en entrant de l’extérieur vers l’intérieur et ensuite en sortant de l’extérieur dans la direction axiale (centripète).

Les turbines radiales sont utilisées jusqu’à une puissance de moteur d’environ 1.000 kW. Cette conception couvre ainsi pratiquement toutes les applications sur les moteurs de voitures, de véhicules publicitaires et moteurs industriels.

Comportement en service

La puissance d’une turbine est dépendante de la baisse de pression entre l’entrée et la sortie. La puissance de turbine augmente lorsque le régime du moteur ou sa température des gaz d’échappement croit.

Plus la turbine est petite, plus celle-ci réagit tôt et plus la puissance de moteur maximale baisse. La grandeur de turbine peut être modifiée simplement en changeant le carter de turbine.

Contrairement à la turbine normale, la turbine VNT/VTG "réglable" fournit un bon rendement sur l’ensemble de la plage de régime. Ce résultat est rendu possible par des ailettes directrices réglables qui guident le flux des gaz d’échappement par la roue de turbine.

Régime moteur faible et pression de suralimentation élevée souhaités :: La section du flux de gaz d’échappement est rétrécie avant la roue de turbine à l’aide d’ailettes directrices. Comme les gaz d’échappement doivent circuler plus rapidement du fait de la section réduite, la roue de turbine tourne plus rapidement. De ce fait, la pression de suralimentation utilisée est obtenue même avec un faible régime moteur.
Régime de moteur élevé :: La section du turbocompresseur est adaptée au flux de gaz d’échappement. Les ailettes directrices libèrent une section d’entrée plus grande, afin de ne pas dépasser la pression de suralimentation utilisée.

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» Commande

Modèles et fonctionnement

La commande de la pression de suralimentation et de la réponse s’effectue toujours côté turbine. Les deux types suivants sont utilisés :

Soupape de dérivation
Géométrie de turbine réglable

Réglage au moyen d’une soupape de dérivation

Le type le plus avantageux de réglage de pression de suralimentation est la commande par une soupape de dérivation. Lorsque la pression de suralimentation nécessaire est atteinte, la soupape de dérivation est ouverte au moyen d’un actionneur (boite de commande, servomoteur), afin d’acheminer une partie du flux des gaz d’échappement en passant devant la turbine. La commande de l’actionneur s’effectue dans le cas simple par l’application de la pression de suralimentation sur la membrane de la boite de commande.

Sur les moteurs suralimentés modernes, on utilise des réglages électroniques de la pression de suralimentation. Dans ce cas, la dérivation est commandée par une soupape à trois voies en fonction du moteur.

Réglage au moyen d’une géométrie de turbine réglable.

Les bagues directrices réglables dans le carter de turbine des turbocompresseurs VTG permettent d’adapter la section d’écoulement de la turbine aux états de service du moteur. Le rendement global du turbocompresseur et du moteur est sensiblement amélioré.

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» Suspension

Modèles et fonctionnement

Le régime de l’organe tournant d'un turbocompresseur peut atteindre 300.000 tours par minute. Comme la durée de vie du turbocompresseur correspond à celle du moteur, l’utilisation de paliers lisses s’est imposée. Seule l'utilisation d'une suspension lisse permet aujourd’hui de répondre aux exigences élevées concernant la durée de vie, le régime et les faibles coûts de fabrication.

Les types suivants de suspension sur le turbocompresseur sont utilisés :

Palier lisses
Paliers à rouleaux

La suspension radiale à paliers lisses

Dans le cas d’une suspension lisse, l’arbre tourne sans contact et sans usure à l’intérieur du coussinet de palier lisse enveloppé d’huile.

Avec la suspension à deux coussinets, les coussinets flottants tournent dans le carter de palier avec environ le demi-régime de l’arbre. Les paliers fonctionnent donc sans contact et sans usure. L’huile circulant sous pression entre les fentes de palier assume en même temps également une fonction d’amortissement.

La suspension à un coussinet souvent utilisée aujourd’hui permet un espacement de palier plus faible, de sorte que les turbocompresseurs sont devenus plus petits et plus compacts. Ici, l’arbre tourne à l’intérieur du coussinet à palier lisse fixé dans le carter de palier. La fente extérieure du coussinet sert à l’amortissement du palier et est enveloppée d’huile.

Suspension axiale avec paliers lisses

Le palier axial (palier lisse à surface cunéiforme) absorbe les forces qui agissent sur la roue de compresseur et la roue de turbine dans le sens axial. Le palier axial est fixé debout dans le carter de palier.

Suspension à rouleaux (turbocompresseur monté sur billes)

L’utilisation de turbocompresseurs montés sur billes n'a pas pu s’imposer jusqu’à aujourd’hui. Ils arrivent certes plus rapidement au régime de service, mais ne conviennent en revanche pas pour les régimes élevés actuels. De plus, les coûts de fabrication de la production sont très élevés.

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» Etanchéité

Modèles et fonctionnement

Sur les turbocompresseurs, on utilise principalement les trois types suivants d’étanchéité.

Segment de piston [côté compresseur, côté turbine]
Joints en carbone [côté compresseur]
et récemment joints à bague de glissement à matelas de gaz [côté compresseur]

Joint de segment de piston

Côté turbine et côté compresseur, on trouve dans le turbocompresseur à chaque fois un segment de piston dans une rainure sur la roue du rotor. Les segments de piston sont tendus fixement dans le carter de palier et ne tournent pas en même temps. Ce type d’étanchéité est un modèle sans contact de joint à labyrinthe. Il rend difficile les fuites d’huile du fait de nombreuses déviations d’écoulement, de sorte que seules de faibles quantités de gaz d’échappement parviennent dans le carter de vilebrequin, mais il n’est pas étanche.

Joint en carbone

Côté compresseur, une bague en carbone montée de façon fixe dans le carter de palier assure l’étanchéité entre l'arbre du rotor et le carter de palier. Ce type d'étanchéité n’est utilisé que rarement de nos jours. Ile est utilisé surtout sur des moteurs à carburateur suralimentés, afin d’assurer l’étanchéité par rapport au vide en formation dans la zone d’aspiration au ralenti et dans la position de charge partielle du carburateur. Dans le cas présent, la perte de frottement par la bague en carbone doit être considérée comme un inconvénient.

Joint à bague de glissement à matelas de gaz

Côté compresseur, une bague de glissement sur un matelas de gaz assure l’étanchéité entre l’arbre du rotor et le carter de palier. Ce type de bague sert à réduire les fuites d’huile sur le côté turbocompresseur pour qu’aucune quantité d’huile ou seulement de faibles quantités d’huile parviennent dans la zone d'aspiration du moteur et qu’ainsi la norme valable aujourd'hui concernant les gaz d’échappement soit appliquée.

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