Le Turbo

Le turbocompresseur, appelé couramment turbo dans le milieu de l'automobile, est un système de suralimentation du moteur qui a pour but d’augmenter la puissance volumique des moteurs à compression et explosion (essence et diesel).

Son invention remonte à 1902 quand Louis Renault dépose un brevet sur le principe de suralimentation par ventilateur ou compresseur, qu'il utilise en compétition, mais qui n'est pas encore défini comme un turbocompresseur.

En 1905, le brevet du principe du turbocompresseur est concédé à l’ingénieur suisse Alfred Büchi par la Deutsches Reichspatent (DRP) et un deuxième pour son application au moteur à explosion.

Dans les années 1909-1912, le Dr Alfred Büchi a développé le premier turbocompresseur alimenté par les gaz d’échappement du moteur. Trois ans plus tard, il a proposé un prototype d’un moteur turbo diesel, mais à cette époque, son idée n’a pas été accueillie avec beaucoup d’enthousiasme.

En 1954, grâce au développement du premier modèle compact de turbocompresseur par Kurt Beirer, Cummins, Scania et Volvo ont lancé la production des camions équipés d’un turbo. Il convient également de noter qu’une voiture équipée d’un moteur suralimenté de Cummins a pris la pole position dans la course automobile d’Indianapolis en 1952 La crise du carburant des années 70. ainsi que les normes d’émission de gaz d’échappement de plus en plus strictes ont entraîné une augmentation significative de la popularité des camions à moteur suralimenté. Cependant, le rendement encore faible et un coût d’exploitation élevé ont fait que ces moteurs n’ont pas été utilisés dans les voitures particulières. La véritable révolution s’accomplit dans les années 80. avec l’apparition sur le marché de Mercedes série 300 et de Volkswagen Golf, toutes les deux équipées de moteurs turbo diesel. C’était le moment où la suralimentation par turbocompresseur a commencé à être utilisée dans les voitures particulières et y est appliquée jusqu’aujourd’hui.

Principe de fonctionnement du turbo

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).

Composition du turbo

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

Il y a aujourd'hui plusieurs types de Turbos :

• Les turbos à géométrie fixe : Pour augmenter la puissance à bas régime, les gaz arrivent dans la turbine par un étroit tuyau qui augmente la pression. Pour éviter la surpression, une soupape évacue les gaz. Ce type de turbo est encore de nos jour le plus répandu. La turbine tourne à des vitesses comprises entre 15.000 et 240.000 tours par minute.

• Les turbos à géométrie variable (Inventé par GARRETT) : Développer dans les années 90 pour permettre une meilleur exploitation des gaz, la pression est régulée grâce à un dispositif qui fait que plus la pression augmente, plus la turbine laisse passer, c'est le système Turbo « One piece ». Un autre système utilise une technologie « Multi ailettes » beaucoup plus sophistiquée. L'orientation des ailettes est pilotée par électronique.

Bi-turbo

On ne retrouve généralement qu’un seul turbo sur les voitures, à cause de l’important coût de ce mécanisme. Néanmoins certains moteurs les plus performants sont équipés de deux turbos (bi-turbo).

Dans le cas d’un montage dit « en série » de deux turbos identiques (c’est-à-dire que les turbos sont l’un après l’autre), le premier est actif même lorsque le régime moteur est faible et le deuxième s’active quand le régime moteur devient plus important. Ainsi, le moteur est rendu encore plus efficace, même si le régime moteur est faible.

Dans le cas d’un montage séquentiel ou à double étage, les deux turbos ne sont pas de la même taille mais le principe est similaire. Le plus petit turbo est actif pour un régime moteur peu important et est aidé par le plus gros turbo (qui a un débit plus important) dès que le régime moteur augmente. Une fois que le régime est élevé, le plus gros fonctionne seul.

Intercooler ou 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 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 a inventé l'intercooler qui permet tout bêtement de refroidir l'air compressé par le turbo avant de l'envoyer dans les chambres de combustion.

Le turbo devient-il 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).

Booster son turbo

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

• Modifier le 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).

Le turbo : ami du downsizing

Avec l'injection haute pression, le turbo est l'un des piliers permettant la réduction de la cylindrée qui est de plus en plus à la mode pour réduire les consommations en carburant. Il permet en quelque sorte d'agrandir artificiellement la cylindrée du moteur car il permet d'y engouffrer plus d'air (comme si ses cylindres étaient plus gros finalement).

Symptômes de dysfonctionnement

Parfois, certains symptômes simples à identifier indiquent que le turbo dysfonctionne. S’il y a un bruit excessif et une perte de puissance accompagnée de fumées bleues, il n’y a plus qu’à changer le turbo. Si des fumées noires se dégagent et que la voiture a des à-coups, c’est le système de régulation de la géométrie variable qui est touchée. Cela est souvent dû à l’encrassement du turbo. Dans ce cas, un nettoyage du système suffit souvent à régler le problème.

Avantages :

• Puissance élevée pour une faible cylindrée (Downsizing)

• Faible encombrement pour des conditions de montage restreintes

• Couple supérieur à de faibles régimes

• Plus faible dégagement de bruit

• Consommation de carburant spécifiquement avantageuse

Inconvénients :

Comme les gaz d’échappement sont utilisés pour mettre en mouvement la turbine, leur évacuation est rendue plus difficile. La vitesse de rotation très élevée du turbo crée un risque supplémentaire de mauvais fonctionnement du moteur. En effet, si l’extrémité des pales de la turbine (qui servent à faire tourner la roue) atteint une vitesse transsonique (égale à la vitesse du son) ou supersonique (supérieure à la vitesse du son), le turbo est détruit. Cette vitesse de rotation doit donc être absolument maîtrisée. Si le turbo casse, le moteur peut continuer de fonctionner mais son rendement est bien plus faible et les performances en sont fortement dégradées. Toujours à cause de la vitesse de rotation très importante, les pales de la turbine et du compresseur doivent être parfaitement équilibrées. Si elles ne le sont pas, les deux roues (de la turbine et du compresseur) peuvent se désaxer légèrement et créer d’importants dégâts.Le turbo est soumis à d’importantes contraintes thermiques. Du côté de la turbine, les gaz d’échappement sont très chauds (plus de 800°C pour un moteur diesel et plus de 1000°C pour un moteur essence) et du côté du compresseur, l’air aspiré est à température ambiante. Les matériaux utilisés pour la fabrication de ce système sont donc spécifiquement étudiés pour subir de telles contraintes, ce qui explique le prix élevé d’un turbo. Lors d’accélérations, au début le turbo ne compresse pas assez d’air et le conducteur ressent parfois une sorte de « sursaut » d’accélération qui peut être désagréable. Ce sursaut est lié au temps que met le turbo pour compresser assez d’air. Pour diminuer cette latence, les constructeurs automobiles utilisent des turbos électriques ou des turbos à géométrie variable.

De nos jours :

Les turbocompresseurs sont largement utilisés dans l'industrie automobile, pour des voitures aussi bien que des camionnettes commerciales, puisqu'ils permettent de réduire la consommation de combustible, de réduire des émissions polluantes et d'augmenter la puissance de moteur.