Moteurs turbocompressés : principes, types et innovations

Définition du turbocompresseur

Un turbocompresseur est un dispositif de suralimentation entraîné par une turbine qui augmente le rendement et la puissance des moteurs à combustion interne en forçant de l'air comprimé supplémentaire dans la chambre de combustion. Ce surcroît d'air permet d'injecter proportionnellement plus de carburant qu'à la pression atmosphérique.

Monté sur le moteur pour en améliorer le rendement global et les performances, le turbocompresseur était à l'origine appelé « turbosuralimentateur » car tous les dispositifs de suralimentation forcée sont classés comme suralimentateurs. Le terme « suralimentateur » seul désigne un dispositif à entraînement mécanique.

La différence clé : le turbocompresseur est mue par une turbine actionnée par les gaz d'échappement, tandis que le suralimentateur mécanique est entraîné par le vilebrequin (souvent par courroie). Les turbos sont plus efficaces mais moins réactifs. Le « twin-charging » associe les deux.

Historique

Alfred J. Büchi (1879-1932), ingénieur chez Gebrüder Sulzer (Suisse), dépose le brevet en 1905 en Allemagne, un an avant la Première Guerre mondiale. Il perfectionne son invention pendant quatre décennies.

D'autres pionniers : Sir Dugald Clark (deux temps, séparation compression/détente), Louis Renault, Gottlieb Daimler, Lee Chadwick ont contribué aux systèmes de suralimentation.

Fonctions du turbocompresseur

• Surpuissance sans augmenter la cylindrée.
• Moteur plus réactif sans augmenter le débit de carburant.
• Valorisation des gaz d'échappement (CO₂) au lieu de les rejeter.

Applications

• Voitures essence et diesel : puissance accrue pour une cylindrée donnée, meilleur rendement, moteur plus léger (-10 %), consommation -30 % à puissance équivalente. Première voiture de série : Oldsmobile Jetfire (V8 alu 215 ci) et Chevrolet Corvair Monza Spyder (flat-6). Diesel : Mercedes 300 SD Garrett (1978).
• Poids lourds : turbodiesel depuis 1938.
• Aéronautique : gain d'efficacité en altitude.
• Motos : modèles japonais haute performance dès les années 80, mais rares car gros moteurs atmosphériques offrent couple et puissance avec une courbe plus linéaire.

Principaux composants

• Cartouches (cœurs équilibrés)
• Actionneurs pneumatiques, sous vide, électriques (servomoteurs)
• Corps de compresseur (partie froide)
• Kits de réparation
• Roues de compresseur
• Arbres et roues de turbine
• Corps de buse à géométrie variable (VNT)
• Corps de palier (cartouches)
• Plaques arrière (côté compresseur)
• Bagues de buse VNT
• Boucliers thermiques
• Kits de joints
• Capteurs d'actionneur (pression, position)
• Joints VNT
• Corps de turbine (partie chaude)
• Pièces d'actionneur électrique (moteurs, arbres, engrenages)

Types de turbocompresseurs

Turbocompresseur simple (Single turbo)

Le plus simple, courant et économique. Variabilité infinie. Petit turbo = meilleur couple bas régime (montée en pression rapide). Roulements à billes ou à coussinet pour moins de frottement.

Avantages : permet petits moteurs, coût modéré, simplicité, installation facile, rendement accru. Inconvénients : plage de régime efficace étroite, compromis entre couple bas et puissance haut, réponse plus lente que d'autres types.

Twin-turbo (Bi-turbo)

Un turbo par rangée de cylindres (V8, V12). Ou séquentiel : petit turbo bas régime, grand turbo haut régime. Deux turbos identiques : un à bas régime, les deux à haut régime. BMW X5 M/X6 M : twin-scroll, un par banc de V8.

Avantages : courbe de couple large et plate, bon couple bas, puissance maintenue en haut. Inconvénients : coût et complexité doublés, alternatives plus légères existent.

Twin-scroll (Double volute)

Supérieur au simple volute : les pulsations d'échappement sont séparées en deux volutes. Exemple 4 cylindres (ordre 1-3-4-2) : cylindres 1 et 4 vers une volute, 2 et 3 vers l'autre. Évite l'interférence entre ouverture soupape d'échappement cylindre 1 et admission cylindre 2.

Avantages : plus d'énergie vers la turbine, plage de suralimentation élargie, plus de flexibilité de calage soupapes. Inconvénients : coût/complexité supérieurs, impose architecture moteur et ligne d'échappement spécifiques.

Géométrie variable (VGT / VNT)

Commun sur diesel, rare sur essence (coût, matériaux exotiques). Aubes internes modifient le rapport A/R selon le régime : bas régime → bas A/R → vitesse gaz haute → montée turbo rapide ; haut régime → haut A/R → débit d'air maxi, lag réduit, seuil de suralimentation bas, couple large et lisse.

Avantages : couple large et plat sur vaste plage, un seul turbo simplifie le séquentiel. Inconvénients : limité au diesel (gaz moins chauds) ; sur essence, matériaux coûteux requis.

Twin-scroll à géométrie variable

Moins cher que VGT, privilégié sur essence. Combine VGT et twin-scroll : bas régime, une volute fermée, tout l'air dans l'autre ; haut régime, vanne ouvre la seconde volute pour performance haut régime.

Avantages : couple large et plat, plus robuste que VGT. Inconvénients : coût/complexité, technologie longtemps délaissée.

Turbocompresseur électrique

Moteur électrique intégré : couple instantané, élimine le lag. Bas régime aisé, récupération d'énergie via générateur sur turbine d'échappement. Lag et manque de gaz d'échappement virtuellement éliminés par rotation électrique du compresseur à la demande.

Avantages : plage de régime élargie, couple constant, récupération d'énergie. Inconvénients : complexité/coût (moteur électrique, batterie), encombrement/poids. Bénéfices approchables par VGT ou twin-scroll.

Principe de fonctionnement

Analogie avec le réacteur : air aspiré, mélange carburant, combustion, gaz chauds traversent turbine qui entraîne compresseur (pompe à air) à l'avant, poussant l'air dans le moteur pour une combustion optimale.

Sur moteur à pistons : gaz d'échappement entraînent la turbine, qui fait tourner le compresseur aspirant et comprimant l'air vers les cylindres. Plus d'air → plus de carburant brûlé par seconde → plus de puissance (énergie par seconde).

Le turbo comprend deux moitiés solidaires par un arbre : turbine (gaz chauds) et compresseur (air frais). La compression chauffe l'air (moins dense, moins efficace). Un échangeur de chaleur (intercooler) refroidit l'air comprimé avant admission.

D'où vient la puissance supplémentaire et combien ?

Ce n'est pas la turbine qui fournit la puissance, mais le compresseur qui permet de brûler plus de carburant par seconde. La puissance supplémentaire vient du carburant additionnel brûlé plus vite.

Le gain dépend de la taille des composants. Le turbo peut être dimensionné pour la puissance visée, mais limité par la capacité des cylindres à ingérer air et carburant.

Avantages et inconvénients

Avantages

• Surpuissance significative.
• Énergie gratuite (gaz d'échappement), ne consomme pas la puissance moteur.
• Compatible essence et diesel.
• Améliore le rendement énergétique.

Inconvénients

Turbo lag : à l'accélération, délai avant que le turbo ne monte en pression. À bas régime, gaz d'échappement insuffisants pour entraîner le compresseur. Réduit par rétrogradage, mais retard perceptible par pilotes experts.

Chaleur extrême : en usage intensif, les gaz d'échappement font rougir le turbo. D'où les ouïes de ventilation sur sportives pour refroidir.

En conclusion, le turbocompresseur booste le rendement et l'efficacité énergétique. Nous avons exploré ses types, son fonctionnement, ses atouts et limites.