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1. Introduction :
Un turbocompresseur (dit « turbo », en langage courant) est l'un des trois principaux systèmes connus de suralimentation généralement employés sur les moteurs à combustion et explosion (essence ou Diesel), destinés à augmenter la puissance volumique — les deux autres étant le compresseur mécanique et l'injection gazeuse.
Le principe est d'augmenter la pression des gaz admis, permettant un meilleur remplissage des cylindres en mélange air/carburant, permettant ainsi soit d'augmenter la puissance volumique du moteur afin d'augmenter la puissance soit de réduire la consommation avec un moteur de plus faible cylindrée.
Turbocompresseur
Ce type de compresseur est entraîné par une turbine (d'où son nom) animée par la vitesse des gaz sortant du bloc-moteur, qui cèdent une partie de leur énergie cinétique pour faire tourner la turbine, sans consommer de puissance sur l'arbre moteur.
2. Histoire de turbocompresseur:
Le 13 novembre 1905, le brevet du principe du turbocompresseur est concédé à l’ingénieur suisse Alfred Büchi par la Deutsches Reichspatent (DRP) et le 16 novembre 1905, un autre pour son application au moteur à explosion^2. Il s'agissait d'un compresseur centrifuge entraîné cette fois par les gaz d'échappement. Une des premières applications a été l'adaptation par l’ingénieur Auguste Rateau du turbocompresseur sur le moteur Renault 12 Fe, un V12 de 320 ch équipant l'avion de reconnaissance Breguet XIV A2 pendant la Première Guerre mondiale^3.
On a assisté à un gros développement du turbocompresseur lors de la Seconde Guerre mondiale où le « turbo » a été indispensable pour permettre à des avions dotés de moteurs à piston de voler à haute altitude. En effet, l'air devenant plus rare à partir de 3 000~4 000 mètres, un simple moteur atmosphérique perd de la puissance et « cale » s'il n'est pas doté d'une admission forcée.
La technique de suralimentation est très souvent appliquée aux moteurs des automobiles de course. En Formule 1 par exemple, elle a révolutionné la motorisation à partir de 1977 avec Renault et remporté de nombreux succès avant d'être interdite en 1989. La saison 2014 du championnat voit son retour dans la discipline, avec un moteur V6 de 1 600 cm^3 turbocompressé^4.
Au XXIe^ siècle, ce principe est largement répandu sur les moteurs Diesel modernes et dans une moindre mesure sur les moteurs à essence^5 du fait des risques d’aauto- allumage lorsque la pression du mélange air-essence augmente. Cependant le meilleur contrôle de l'injection et de l'allumage a permis de concevoir des moteurs à essence turbocompressés entre autres dans le cadre du downsizing.
Outre le phénomène de mode lancé principalement par Renault dans les années 1980 (R5 Turbo, Alpine turbo, R5 GT Turbo, etc.), une autre apparition prouvera que le turbo ne sert pas qu'à « gonfler des petites voitures légères à moindre coût », en effet, l'arrivée de la tonitruante Porsche 911 Turbo 3,0 L (type 930) lancera à son tour toute une génération de passionnés de voitures de grand tourisme (GT), cette dernière étant quasiment sans rivale au moment de sa sortie, grâce à ses performances impressionnantes pour l'époque.
Turbo à géométrie variable
La forme de turbo la plus exceptionnelle, ce qui est lié à son coût élevé et de matériaux utilisés souvent assez rares et exotiques. Ici le ratio surface/radius de vannes internes varie pour mieux correspondre aux tours par minute optimaux.
Turbocompresseur électrique
En effet, l'introduction d'un moteur électrique élimine quasiment tous les inconvénients de types de turbo précédents. Plusieurs spécialistes trouvent que ce seront des moteurs turbo "hybrides" qui deviendront les plus efficaces et les plus populaires prochainement.
4. Principe de fonctionnement
Le turbocompresseur est en effet un compresseur d’air entraîné par les gaz d’échappement. Les gaz d’échappement sortant du moteur par le collecteur d’échappement sont dirigés vers la chambre de turbine dans laquelle se trouve le rotor. À travers d’un arbre commun, il entraîne le rotor du compresseur, situé de l’autre côté du dispositif (souvent appelé « froid »), qui comprime l’air alimentant le moteur. Puisque l’air comprimé contient plus d’oxygène dans une unité de volume, il devient possible de créer de meilleures conditions du processus de combustion. Une plus grande quantité d’air combiné à une quantité supplémentaire de carburant peut être utilisé pour augmenter la puissance de moteur ou, comme dans le cas des moteurs diesel, permet une meilleure combustion, en réduisant considérablement la quantité de polluants émis et en augmentant l’efficacité du moteur.
En augmentant la compression de l’air, et donc la quantité de gaz dans la même unité de volume, on èleve en même temps sa température. Plus la température est élevée, plus la densité est faible, ce qui signifie que les cylindres reçoivent moins d’oxygène que si la température de l’air était plus basse. C’est pourquoi on utilise un refroidisseur d’air de suralimentation (intercooler). Généralement, il s’agit d’un échangeur de chaleur de type air-air ou (moins souvent) air-eau.
Les voitures équipées d’un turbocompresseur se caractérisent par les avantages suivants:
Sécurité :
Un moteur turbo est capable de générer jusqu’à 7 fois plus de puissance qu’un moteur atmosphérique sans suralimentation. À titre d’exemple, citons le moteur de Formule 1 d’il y a quelques années, qui, à une capacité de 1,5 l, pouvait produire une puissance aux roues de plus de 1000 CV. Dans les conditions standard, il est possible de doubler la puissance d’un moteur atmosphérique, ce qui rend la voiture plus maniable et, en effet, plus sûre. Également, la suralimentation empêche la réduction de la puissance du moteur en fonction de l’altitude au-dessus du niveau de la mer.
Économie :
Les turbocompresseurs transforment l’énergie générée par les gaz d’échappement en puissance. En conséquence, les moteurs suralimentés sont plus économes en carburant que leurs homologues atmosphériques.
Écologie :
Puisque le turbocompresseur fournit beaucoup plus d’air au moteur, la combustion est plus efficace et plus complète, et donc plus « propre ». Aujourd’hui, les moteurs de type turbo diesel produisent 50% moins de NOx et de CO2 que les moteurs traditionnels.
Inconvénients:
l'énergie utilisée par le turbo n'est pas totalement gratuite, car elle gêne le passage des gaz d'échappement ; Le turbo perd beaucoup de sa puissance à haut régime. Une « vanne de décharge » (waste gate en anglais) s'ouvre pour préserver le moteur d'une trop haute pression, déclenchant le sifflement caractéristique d'un moteur turbo. Seuls certains moteurs conçus pour tourner longtemps à très haut régime (tels que ceux équipant les F de 2014 et après) conservent réellement une efficacité significative à haut régime. Un turbocompresseur « classique » n'est efficace qu'au-delà d'un certain régime moteur, contrairement au compresseur mécanique dont l'efficacité commence dès les plus bas régimes ; Lors d'un « coup » d'accélérateur, le turbocompresseur a un temps de réponse du fait de son inertie, laps de temps où la quantité de gaz d'échappement ne suffit pas encore à faire accélérer et tourner la turbine du turbocompresseur au régime idéal. En jargon automobile, on parle fréquemment de décalage (lag en anglais). Cet inconvénient est absent avec les compresseurs mécaniques. En course automobile, dans les années 1980, certaines voitures ayant des moteurs de faible cylindrée avec des turbos très puissant, possédaient un lag tellement important qu'il n'était pas rare que le pilote appuie déjà sur l'accélérateur avant-même d'avoir commencé à rentrer dans son virage, afin que le turbo ait le temps de se relancer durant le passage de la courbe. Cette pratique obligeait alors le pilote à freiner du pied gauche, tout en maintenant le moteur dans les tours avec le pied droit sur l'accélérateur.
7. Conclusion
Lequel est le meilleur? Le turbocompresseur coûte généralement moins cher que la suralimentation, mais, comme il est mentionné plus haut, sa puissance ne se manifeste pas à bas régime. La suralimentation, elle, est moins compliquée à installer, mais offre un rendement un peu moins élevé qu'un turbocompresseur.
Vous êtes intéressé à augmenter la puissance de votre véhicule? Vous pouvez commencer par consulter votre concessionnaire, qui pourrait disposer d'un catalogue de pièces intéressantes. Toutefois, notez que des modifications majeures au moteur de votre voiture risquent d'annuler la garantie du fabricant.
