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La boîte à fourbi

Comment fonctionne un turbo?

Coqueluche des djeunz qui mettent le nez dans la mécanique, finalement assez peu de personnes savent comment marche un turbo.
Ses effets, eux, sont plus connus. Le turbo permet d'augmenter les performances, un peu comme un coup de pied aux fesses, une fois un certain régime atteint.
Je ne prétendrai pas explorer tout le sujet, tant il est vaste, mais essayons de voir dans ses grandes lignes le fonctionnement du turbocompresseur.

Il faut savoir que le principe du turbocompresseur remonte à très loin (1905, dixit Wikipedia), et consiste à augmenter les performances du moteur en le gavant d'air (plus qu'en atmosphérique).
Pour rappel, le moteur à explosion, soit celui de tous les jours, fonctionne en utilisant un mélange air-essence comprimé (et donc rendu instable) puis inflammé au moyen d'une étincelle (en essence tout du moins).

Vous me direz, on peut tout aussi bien augmenter la cylindrée ou bien augmenter la vitesse pour gagner en performances, mais la survitesse n'est pas sans risques pour le moteur, bien au contraire, et l'augmentation de cylindrée pollue plus puisque consommant plus d'essence.

Le turbo, lui, permet d'augmenter (proportionnellement) la quantité d'air dans les cylindres en le comprimant. On appelle cela la suralimentation.

Comment ça marche?
Voici grosso-modo un schéma d'admission et d'échappement d'un moteur atmosphérique, donc, sans compression de l'air dans les cylindres.
http://shinkel.free.fr/img/blog/Air_sans_turbo.png

L'air en admission est en gros à température ambiante, et brûlant en sortie (normal, on sort d'une explosion, quand même!).
Problématique : comment peut-on compresser l'air en entrée?

1 - Utiliser un compresseur (de son nom complet compresseur volumétrique) utilisant la puissance moteur, de manière directe (entraînement via courroie par l'arbre moteur) ou détournée (compresseur électrique, mais on perd la réactivité, voir ci-après). Problème, cela implique une dépense énergétique supplémentaire, et donc indirectement une surconsommation de carburant, puisqu'on applique un effort de plus à produire. Par contre, le compresseur étant directement soumis aux variations de vitesses de l'arbre moteur (sinon il ne tournerait pas, bah oui...), il est plus réactif que le turbo et peut donc être actif dès les bas régimes, de manière constante dans la compression qui plus est (nous verrons après pourquoi ce n'est pas le cas du turbo).
Si vous voulez en savoir plus sur le compresseur, ça se passe ici : http://pagesperso-orange.fr/ltm.moteur/compresseur_volumetriq.html .

2 - Utiliser un turbocompresseur, qui est en fait composé d'une turbine entraînant un compresseur. Explications.
http://shinkel.free.fr/Air_avec_turbo.png

En fait, à l'échappement, les gaz brûlants sont pourvus d'une énergie cinétique vouée à être dissipée au fil du circuit d'échappement. L'idée, c'est d'utiliser cette énergie cinétique pour entraîner une turbine, symbolisée par le trapèze droit.
Cette turbine est reliée par un axe à un compresseur, se trouvant du côté gauche sur le schéma, et tournant à la même vitesse. Le "comment" de la compression est un peu difficile à saisir pour un néophyte, mais en gros, le logement dans lequel tourne l'hélice du compresseur est pourvu d'une forme très particulière impliquant un volume inférieur d'air en sortie par rapport à l'entrée. De cette manière, la pression de l'air augmente en sortie.

Si vous avez du mal à comprendre cela, imaginez de l'air dans un tuyau d'un certain diamètre. Son écoulement est constant, jusqu'à ce le diamètre du tuyau se réduise. Pour que le même débit d'air (la même quantité) circule avant et après le rétrécissement, pas le choix, il faut augmenter la pression, donc la "vitesse" (GROSSES guillemets!) de l'air après rétrécissement du conduit.
Après, ce n'est que le principe, un simple rétrécissement ne fait pas tout, même loin de là : c'est la raison pour laquelle on trouve l'hélice du compresseur, qui va brasser l'air vers la sortie du compresseur.

La vitesse de rotation varie en fonction du régime moteur (plus le moteur tourne vite, plus d'air il aura besoin et plus on rejettera de gaz d'échappement, lesquels, puisque le diamètre du conduit d'échappement ne change pas, monteront en pression et entraîneront plus vite la turbine, laquelle entraînera à son tour le compresseur qui brassera plus d'air, et ce jusqu'à stabilisation de la vitesse moteur), mais la vitesse du turbo n'est pas indexée sur celle du moteur. En vitesse nominale, la plupart des turbines tournent à 180 000 tours par minute (3 000 tours par seconde, ça va vite, hein?), mais on en trouve qui dépassent allègrement les 200 000 tours.
En comparaison, le diesel de monsieur tout le monde n'atteint que rarement les 6 000 tours par minute...

Ensuite, il faut savoir qu'un turbo est calibré pour avoir une efficacité sur une plage de régimes moteur, au contraire du compresseur volumétrique qui est efficace tout du long. Normal me direz-vous, puisqu'il ne brasse pas autant d'air à basse qu'à haute vitesse, et donc comprime plus à haut régime qu'à bas.
Ceci étant, on peut dédier un turbo aux bas régimes, en adaptant sa forme et donc ses caractéristiques, c'est le cas des moteurs turbo diesel sur lesquels le turbo permet de réduire drastiquement l'effet "veau" propre aux diesels, qui ont des accélérations moins prononcées que les moteurs essence (encore plus marqué à bas régime). Hop, un turbo pour améliorer les accélérations à bas régimes, et on gagne beaucoup en agrément de conduite.
Si vous voulez voir à quel point les turbos sont les amis du diesel, je vous recommande de ma propre expérience la Citroën Saxo 1.5D, vous aurez un bon exemple de super-veau. Bonne voiture et très fiable, mais d'une toute autre époque, dirons-nous!

Que dire d'autre sur les turbos? Que c'est un sujet très, très vaste, qu'il existe des moteurs biturbo, que l'on a pas parlé du bypass du turbo qui permet des transitions dans les régimes plus douces, que l'on peut coupler turbocompresseur et compresseur volumétrique... Et qu'une casse turbo, ça peut faire très mal au moteur, vous imaginez bien qu'un morceau d'ailette de compresseur qui s'arrache et qui va se loger dans le moteur, qui est un environnement très, très fragile niveau corps étrangers, ça ne peut pas spécialement faire de bien à la mécanique.

J'espère encore une fois ne pas avoir raconté trop de bêtises, à vous les studios!
Sources : Wikipédia et un blog sympa.

http://pagesperso-orange.fr/ltm.moteur/images/Turbo3D.jpg

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