Ce que vous devez savoir sur les moteurs turbocompressés

Avez-vous entendu parler du dispositif d'entrée haute puissance dans un moteur à combustion interne, eh bien, le secret est le turbocompresseur . Il est également connu sous le nom de turbo qui a été inventé au début du XXe siècle par un ingénieur en terre suisse, Alfred Buchi. Il a présenté un prototype pour augmenter la puissance des moteurs diesel.

Aujourd'hui, la suralimentation est devenue un dispositif standard pour la plupart des moteurs à essence et diesel. Des recherches sont toujours en cours sur les moyens d'améliorer la conception des turbocompresseurs pour de meilleures performances à moindre coût de fabrication. Même si les contraintes induites par les vibrations et les performances des roulements sont des facteurs de défaillance majeurs. Pour cette raison, une analyse rotodynamique devrait être une partie importante du processus de conception du turbocompresseur, enfin, peut-être !

Dans un moteur automobile, la puissance est produite dans la chambre de combustion avec un mélange carburant/air d'admission, n'est-ce pas ! Après la compression, il libère le mélange sous forme de gaz d'échappement qui devient des déchets et pollue même l'atmosphère. Mais au lieu d'avoir les gaz d'échappement inutiles, le turbocompresseur s'en sert pour faire tourner le moteur plus vite. Laissez-moi vous expliquer.

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Aujourd'hui, nous allons examiner la définition, les fonctions, les applications, les pièces, l'historique, le schéma, les types, le principe de fonctionnement ainsi que les avantages et les inconvénients d'un turbocompresseur. Cet article est vaste, je vous invite donc à le lire pour acquérir les connaissances.

Définition du turbocompresseur

Un turbocompresseur est un dispositif d'induction de force entraîné par turbine qui augmente l'efficacité et la puissance des moteurs à combustion interne en forçant de l'air comprimé supplémentaire dans la chambre de combustion. Cette induction d'air chaud semble fonctionner car le compresseur peut forcer plus d'air et proportionnellement plus de carburant dans la chambre de combustion que la pression atmosphérique normale.

Un turbocompresseur est un dispositif monté sur le moteur d'un véhicule afin d'améliorer l'efficacité globale et d'augmenter les performances du moteur. les turbocompresseurs sont à l'origine connus sous le nom de turbosuperchargeurs car tous les appareils à induction forcée sont classés comme superchargeurs. Un compresseur est un terme donné à un dispositif à induction forcée à entraînement mécanique.

La différence entre un turbocompresseur et un compresseur conventionnel est qu'un turbocompresseur est alimenté par une turbine entraînée par les gaz d'échappement d'un moteur. Alors qu'un compresseur est entraîné mécaniquement par le vilebrequin du moteur, souvent relié à une courroie. Cependant, les turbocompresseurs sont plus efficaces mais moins réactifs. Le terme Twin-charger fait référence à un moteur avec un turbocompresseur et un compresseur.

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Historique

Une brève histoire des turbocompresseurs, le mérite revient au fondateur Alfred J Buchi (1879 - 1932) qui était employé dans un atelier d'ingénierie automobile par la Gebruder Sulzer Engine Company de Winterthur, en Suisse. Le projet a été développé un an avant la première guerre mondiale qui a été breveté en Allemagne en 1905. Il a poursuivi l'amélioration du projet jusqu'à sa mort après quatre décennies.

Certains autres ingénieurs méritent également d'être crédités sur le projet de turbocompresseur. Quelques années plus tôt, Sir Dugald Clark (1854 - 1932) était un inventeur écossais d'un moteur à deux temps. il a expérimenté la séparation des étapes de compression et de détente de la combustion interne à l'aide de deux cylindres séparés.

Son expérience a fonctionné comme une suralimentation, augmentant à la fois les débits d'air dans les cylindres et la quantité de carburant pouvant être brûlée. D'autres ingénieurs comme Louis Renault, Gottlieb Daimler et Lee Chadwick participent également aux systèmes de suralimentation.

Fonctions du turbocompresseur

La fonction principale d'un turbocompresseur est d'augmenter l'efficacité de fonctionnement d'un moteur automobile. Voici les raisons pour lesquelles le turbo existera toujours malgré quelques-unes de ses limites.

• Une puissance supplémentaire est fournie, sans augmenter la capacité du moteur.
• Fait tourner le moteur plus vite sans augmenter le taux de combustion du carburant.
• Utilisez de l'oxyde de carbone II (gaz d'échappement) au lieu de polluer.

Applications du turbocompresseur

Un turbocompresseur est couramment utilisé dans les moteurs automobiles tels que les camions, les voitures, les trains, les avions et les équipements de construction. la version moderne des moteurs à combustion interne à cycle Otto et à cycle diesel est équipée de turbocompresseurs.

Plongeons-nous pour expliquer certaines applications des turbocompresseurs :

Voitures essence et diesel : Comme mentionné précédemment, les voitures à turbocompresseur sont courantes dans les voitures à essence et diesel pour augmenter leur puissance pour une capacité donnée. Il augmente également le rendement énergétique, permettant un moteur de plus petite cylindrée. Ces moteurs ont perdu du poids d'environ 10 % et économisent jusqu'à 30 % de consommation de carburant tout en fournissant la même puissance de pointe.

La première voiture de tourisme turbocompressée était l'option Oldsmobile Jetfire. Il utilise le composant d'un 215 cu dans un V8 tout aluminium et sur un produit Chevrolet appelé corvairs. Il est initialement appelé moteur six cylindres à plat refroidi Monza Spyder.

Les voitures diesel dépendent largement du turbocompresseur depuis l'utilisation de l'efficacité, de la maniabilité et des performances améliorées des moteurs diesel. Il est produit sur la voiture de tourisme a été Mercedes à turbocompresseur Garrett introduit en 1978.

Camions : Pour le même avantage, les moteurs de camions diesel sont dotés d'un turbocompresseur depuis 1938.

Avion : Au fil de l'année, l'effet du turbocompresseur augmente également l'efficacité des avions.

Motos : La plupart des entreprises japonaises ont produit des motos hautes performances dotées d'un turbocompresseur depuis le début des années 1980. Bien qu'il existe peu de motos turbocompressées, cela est dû à une abondance de cylindrées plus importantes. Le moteur à aspiration naturelle disponible offre les avantages de couple et de puissance d'un moteur de plus petite cylindrée avec turbocompresseur, mais renvoie des caractéristiques de puissance plus linéaires.

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Pièces de turbocompresseurs

Vous trouverez ci-dessous les principales pièces d'un turbocompresseur et leurs fonctions :

• Cartouches (noyaux de turbocompresseur entièrement assemblés et équilibrés)
• Actionneurs de vide et actionneurs pneumatiques
• Actionneurs électroniques (servomoteurs électriques)
• Carters de compresseur (les carters de la partie/section froide du turbocompresseur)
• Kits de réparation de turbocompresseur (kits/ensembles de pièces de rechange pour une réparation mineure rapide)
• Roues de compresseur (roues de compresseur de turbocompresseur)
• Arbre et roues (arbres de turbocompresseur avec roue de turbine, rotors de turbine)
• Boîtiers annulaires de buse (boîtiers pour éléments de contrôle de géométrie VNT)
• Boîtiers de roulement (boîtiers de cartouche, boîtiers de noyau de turbo)
• Plaques arrière (plaque de noyaux de turbocompresseur du côté du compresseur)
• VNT Nozzle Rings (Anneaux avec buses pour turbocompresseurs VNT, nœuds de contrôle de géométrie VNT)
• Écrans thermiques (écrans thermiques du noyau du turbocompresseur)
• Kits de joints (kits/jeux de joints de turbocompresseur)
• Capteurs d'actionneurs (capteurs de pression, capteurs de position
• VNT Gaskets (joints internes pour turbocompresseurs VNT)
• Carters de turbine (les carters de la section/partie chaude du turbocompresseur)
• Pièces d'actionneurs électroniques (moteurs électriques, arbres, engrenages de servocommandes de turbocompresseur).

Types de turbocompresseurs

Ci-dessous les différents types de turbocompresseurs qui existent :

Turbo unique :

Le turbo simple est le type de turbocompresseur le plus simple, le plus courant et le moins cher qui existe. Il a une variabilité illimitée et étant un turbo plus petit, il offre un meilleur grognement bas de gamme car ils s'enroulent plus rapidement. Le turbo unique est doté d'un roulement à billes et d'un palier lisse qui offrent moins de friction pour que le compresseur et la turbine tournent.

Les avantages des turbocompresseurs simples sont que les moteurs plus petits peuvent également être équipés d'un turbo, la rentabilité est également prise en compte, la simplicité et la facilité d'installation. Cela augmente également l'efficacité du moteur.

Certaines limitations se produisent toujours malgré ses avantages, notamment; ayant une plage de régime efficace assez étroite. Les turbos simples posent un problème de dimensionnement car il faut choisir entre une meilleure puissance haut de gamme ou un bon couple bas de gamme. Enfin, la réponse peut être lente par rapport aux autres types de turbo.

Turbos jumeaux :

Le bi-turbo est une autre option qui permet un seul turbocompresseur pour chaque rangée de cylindres (v8, v12, etc.). Alternativement, un seul turbocompresseur pourrait être utilisé pour les bas régimes et passer à un turbocompresseur plus grand pour les hauts régimes. Deux turbos de taille similaire où l'un est utilisé à bas régime et les deux sont utilisés à haut régime (14, 16). Les BMW x5 M et x6 M utilisent des turbos à double volute, un de chaque côté du v8.

L'avantage du bi-turbo quand il est séquentiel ou sur le turbo à bas régime et les deux à haut régime. Il permet une courbe de couple plus large et plus plate, un meilleur couple à bas régime, mais la puissance ne diminuera pas à haut régime comme un seul turbo. Les limites de ces turbocompresseurs incluent le coût et la complexité, car le composant est presque doublé. Et, il existe d'autres alternatives pour obtenir un résultat similaire plus léger.

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Turbo à double défilement :

À presque tous les égards, les turbocompresseurs à double volute sont meilleurs que les turbos à volute simple, car lors de l'utilisation de deux volutes, les impulsions d'échappement sont divisées. Par exemple, dans les moteurs à quatre cylindres ayant un ordre d'allumage de 1 3 4 2, les cylindres 1 et 4 peuvent être alimentés vers une volute d'un turbo. Tandis que les cylindres 2 et 3 sont alimentés pour séparer la volute. Le but de ces types de turbocompresseur est qu'il y ait un chevauchement dans le cylindre. Supposons que le cylindre termine sa course de puissance lorsque le piston atteint le point mort bas et que la soupape d'échappement s'ouvre. Pendant ce temps, le cylindre deux termine sa course d'échappement en fermant la soupape et en ouvrant la soupape d'admission.

Un collecteur turbo traditionnel à simple volute est assez différent, la pression d'échappement du cylindre un interférera avec le cylindre deux tirant l'air frais car les deux soupapes d'échappement sont temporairement ouvertes. Cela réduit la quantité de pression atteignant le turbo et interfère avec la quantité d'air aspirée par le deuxième cylindre.

Les avantages du turbocompresseur sont que plus d'énergie est envoyée à la turbine d'échappement et une plage de régime plus large de suralimentation efficace est atteinte. Cela est dû aux différentes conceptions de défilement. Fondamentalement, il y a plus de chevauchement de soupapes sans entraver le balayage des gaz d'échappement, ce qui conduit à une plus grande flexibilité de réglage.

Les limites sont que le coût et la complexité sont élevés par rapport aux turbos simples et qu'ils nécessitent une configuration de moteur et une conception d'échappement spécifiques.

Turbocompresseur à géométrie variable (VGT) :

Les types à géométrie variable d'un turbocompresseur sont courants sur les moteurs diesel et leur production est limitée. Cela est dû à son coût et à ses exigences matérielles exotiques. Les aubes internes du turbocompresseur modifient le rapport A / R surface / rayon pour correspondre au régime. C'est-à-dire qu'à bas régime, un faible rapport A/R est utilisé pour augmenter la vitesse des gaz d'échappement et enrouler rapidement le turbocompresseur. Si le régime grimpe, le rapport A/R augmente afin d'augmenter le débit d'air ce qui se traduit par un faible turbo lag. Cela conduit également à un seuil de suralimentation bas et à une plage de couple large et fluide.

Les avantages de ce type de turbo sont la production d'une courbe de couple large et plate. Ce qui est efficace à une plage de régime très large. Il nécessite un seul turbo, simplifiant une configuration turbo séquentielle en quelque chose de plus compact. Ses limites sont qu'il n'est utilisé que dans les applications diesel où les gaz d'échappement sont plus faibles afin que les aubes ne soient pas détruites par la tête. En utilisant le turbo sur un moteur à essence, des métaux exotiques coûteux seront utilisés afin de maintenir la fiabilité.

Turbocompresseur Twin-Scroll variable :

Le turbo à double volute variable est nettement moins cher que les VGT, ce qui en fait un choix préférable pour la suralimentation à essence. Il combine un VGT avec une configuration à double volute, ainsi, à faible révolution, l'une des volutes est complètement fermée forçant tout l'air dans l'autre. Au fur et à mesure que le moteur accélère, une soupape s'ouvre pour permettre à l'air de pénétrer dans l'autre volute et de bonnes performances haut de gamme sont obtenues.

Les avantages du turbocompresseur sont qu'il permet une courbe de couple large et plate et qu'il est de conception plus robuste que le VGT. Le coût et la complexité sont également ses limites et la technologie n'était pas souhaitée auparavant.

Turbocompresseurs électriques :

Avec l'application d'un moteur électrique dans un turbocompresseur, il améliore ses caractéristiques et fournit un coup de pouce instantané au moteur. Le couple bas de gamme est facilement produit, le décalage est éliminé. Ce turbocompresseur est tout simplement le meilleur de tous, peut-être qu'une nouvelle version pourrait le faire tomber.

ses avantages sont qu'une plage de régime efficace plus large avec un couple uniforme est produite. L'énergie gaspillée est récupérée car un moteur électrique est connecté directement à la turbine d'échappement. Et comme mentionné précédemment, le décalage du turbo et l'insuffisance des gaz d'échappement peuvent être pratiquement éliminés en faisant tourner le compresseur avec de l'énergie électrique en cas de besoin.

La complexité et le coût sont l'un des inconvénients du turbocompresseur car le compte du moteur électrique est désormais inclus. L'emballage et le poids sont également un problème, en particulier avec l'ajout d'une batterie à bord, qui fournit une puissance suffisante au turbo en cas de besoin. Des avantages similaires peuvent être obtenus à partir d'autres types comme les VGT ou les twin-scrolls.

Principe de fonctionnement

Ayant une connaissance de base du fonctionnement d'un moteur à réaction, comprendre les voitures avec un turbocompresseur sera beaucoup plus facile. Laissez-moi vous expliquer, un moteur à réaction aspire de l'air frais à l'avant et l'utilise dans la chambre pour mélanger et brûler avec du carburant. Il souffle ensuite de l'air chaud à travers son dos. La chaleur rugit devant une turbine constituée d'un moulin à vent métallique compact, qui entraîne le compresseur (pompe à air) à l'avant du moteur. le moteur l'utilise pour pousser l'air dans le moteur afin que le carburant brûle correctement.

Un processus similaire est appliqué au turbocompresseur d'un moteur à pistons de voiture. les gaz d'échappement sont utilisés pour entraîner la turbine, qui fait tourner un compresseur d'air qui pousse de l'air supplémentaire dans les cylindres. Cela provoque la combustion de plus de carburant en une seconde, ce qui explique pourquoi une voiture turbocompressée peut produire plus de puissance. C'est plus d'énergie par seconde.

Les turbocompresseurs sont constitués de deux moitiés reliées par un arbre. L'un d'eux contient une turbine qui est entraînée par les gaz d'échappement chauds, l'autre contient également une turbine qui aspire l'air et le comprime dans le moteur. Cette compression offre une puissance et une efficacité supplémentaires au moteur. Au fur et à mesure que plus d'air pénètre dans la chambre de combustion, plus de carburant est ajouté, ce qui produit une puissance supplémentaire.

A noter que l'air comprimé est chaud ce qui est moins dense et il monte au dessus des radiateurs. Cet air chaud est moins efficace pour aider le carburant à brûler. De ce fait, l'air provenant du compresseur doit être refroidi avant d'entrer dans les cylindres. C'est pourquoi l'air chaud du compresseur passe sur un échangeur de chaleur qui élimine la chaleur supplémentaire avant qu'elle n'entre dans la chambre de combustion.

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D'où vient la puissance supplémentaire et combien vous pouvez en obtenir

La plupart des gens pensent que le moteur à turbine offre une puissance supplémentaire à partir des gaz d'échappement reçus, mais ce n'est pas vrai. Les gaz d'échappement sont utilisés pour entraîner le compresseur qui transfère l'air à la chambre de combustion permettant au moteur de brûler plus de carburant chaque seconde. La puissance supplémentaire est obtenue à partir du carburant supplémentaire qui est brûlé à un rythme plus rapide.

La quantité de puissance supplémentaire fournie par le turbocompresseur est déterminée par la taille des composants. Les turbocompresseurs peuvent être améliorés pour rendre le moteur plus puissant, en fonction de la puissance souhaitée. Mais il y a une limite à l'amélioration. Les cylindres sont si grands qu'ils peuvent recevoir beaucoup d'air et de carburant à mélanger.

Avantages et inconvénients des turbocompresseurs

Avantages :

Voici les avantages des turbocompresseurs :

• Une puissance supplémentaire est offerte au moteur.
• La puissance gratuite est donnée au moteur en utilisant les gaz d'échappement résiduels. il ne nécessite aucune puissance de moteur pour l'entraîner.
• Il est utilisé dans les moteurs diesel et à essence.
• Améliorer l'efficacité énergétique des moteurs

Inconvénients :

Malgré les avantages des turbocompresseurs, deux limitations principales subsistent. Voici les inconvénients du turbocompresseur :

L'un des gros problèmes avec un turbocompresseur est connu sous le nom de turbo lag. Cela s'est produit lorsque la manette des gaz est enfoncée, il faut du temps pour que le moteur accélère. C'est-à-dire que les turbocompresseurs mettent du temps à refléter la vitesse du moteur.

Lorsque le régime du moteur est bas, il n'y a pas assez de gaz d'échappement pour faire tourner le compresseur afin d'offrir la puissance nécessaire. L'échappement requis sera créé après avoir appuyé sur l'accélérateur. Cet effet est réduit en rétrogradant à un rapport inférieur, mais les conducteurs experts remarquent parfois le délai de réponse fractionné.

La deuxième limitation des turbocompresseurs ne se produit pas dans les conditions de conduite quotidiennes. Cela ne se produit que lorsque le moteur est poussé à ses limites. La chaleur produite par les gaz d'échappement devient très chaude et fait que le turbocompresseur commence à rougeoyer.

C'est pourquoi la plupart des voitures de sport à turbocompresseur sont conçues avec des évents à l'arrière du moteur. Cet évent maintient une circulation d'air constante et refroidit les pièces.

Lire :Fonctionnement et efficacité d'un arbre d'hélice

En conclusion, nous vous avons exposé les différentes fonctions des turbocompresseurs. L'un d'eux est d'augmenter le fonctionnement et l'efficacité énergétique des moteurs. Nous voyons également les différents types de turbos et leur principe de fonctionnement. Les avantages et les inconvénients sont également révélés.

J'espère que la connaissance est atteinte, si c'est le cas, veuillez commenter, partager et recommander ce site à d'autres étudiants techniques. Merci !