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La suralimentation : turbo ou compresseur d’une automobile

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Le moteur à explosion, on le sait, n’a pas un très bon rendement, d’où l’idée déjà ancienne d’améliorer le remplissage des cylindres au moment de la phase d’admission. La suralimentation, fondée sur l’utilisation d’un compresseur ou d’un turbo, en est l’un des moyens.

 

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Principes de fonctionnement du turbocompresseur

La puissance d’un moteur thermique à combustion interne dépend notamment de la quantité de carburant brûlé pendant un cycle complet. Or, les lois physiques déterminent la quantité d’air nécessaire pour brûler une certaine quantité de carburant. Ce qui revient à dire qu’on peut augmenter la puissance d’un moteur en accroissant la quantité d’air et, corrélativement, de carburant, admis dans ses chambres de combustion.

 

Dès les débuts de l’automobile, des pionniers eurent l’idée de comprimer, soit seulement l’air, soit le mélange carburé, avant de l’envoyer aux cylindres. On utilisa d’abord un compresseur mécanique entraîné par, le moteur lui-même. Cette solution n’est plus guère employée, malgré quelques tentatives dans les années 1990 pour revenir au compresseur « volumétrique » (système « Volumex » de Lancia).

 

Le seul système employé couramment sur les voitures de tourisme, et qui se généralise sur les voitures de compétition (dont bien sûr les Formule 1) est le turbocompresseur sur échappement. Le principe de cet appareil est dû au français Auguste Rateau qui en déposa les brevets dès 1916 ; l’année suivante, il adaptait cette technique sur un moteur Renault 300 ch monté sur les bombardiers Breguet XIV (qui furent produits à plus de 3 000 exemplaires et servirent après 1919 aux premières lignes aériennes).

 

Le turbocompresseur est composé d’une turbine qui tourne dans les gaz d’échappement ; sur le même arbre, un compresseur centrifuge aspire l’air ou le mélange à envoyer au moteur. Cet appareil se comporte donc comme un récupérateur d’une partie de l’énergie cinétique contenue dans les gaz d’échappement. Très à la mode dans les années 1970-1980, la suralimentation des moteurs essence a considérablement reculé en raison d’une consommation supérieure à celle des moteurs atmosphériques.

 


Suralimentation essence

121_1_200À priori, l’adaptation d’un turbocompresseur - machine tournante à régime continu - sur un moteur à combustion interne - machine à cycle alternatif - n’est pas évidente. De fait, le montage d’un « turbo » sur un moteur à essence nécessite de nombreuses modifications.

 

C’est Renault qui a imposé le turbo sur les moteurs de Formule 1, dans le but primordial de tirer une puissance maximale d’un moteur de cylindrée réduite, donc de poids modéré : on dépasse aujourd’hui les 600 ch avec un moteur de 1500 cm3 !

 

Pour les voitures de tourisme, le turbo a conquis principalement le marché français en raison d’une réglementation (calcul de la puissance fiscale) qui favorise ce genre de motorisation, sous prétexte qu’elle permet d’économiser le carburant (ce qui est très contestable).

Avant ou après le carburateur

 

Le turbocompresseur se fixe forcément en amont de l’échappement, en principe au point de raccordement entre le collecteur d’échappement et le départ vers le pot de détente.

 

Mais les techniciens restent divisés sur le principe de cheminement de l’air comprimé. On trouve aussi des turbos qui « aspirent » le mélange élaboré par le carburateur avant de le comprimer, d’autres qui « soufflent » de l’air comprimé dans le carburateur. Cette dernière solution, qui ne présente pas que des avantages, semble prendre le dessus.

 

En effet, un système de suralimentation à carburateur « soufflé » permet de faire passer l’air comprimé par le turbo dans un échangeur de chaleur avant qu’il n’entre dans le carburateur ; en le refroidissant, on augmente la densité de l’air, ce qui revient à augmenter la masse d’air - donc la masse de carburant - admise en un temps donné dans les cylindres.

 

Cette technique améliore le rendement du moteur. Toutefois, elle nécessite l’emploi de pompes à essence électriques et de multiples dispositifs de sécurité pour prévenir le refoulement du carburant vers le réservoir et l’affolement des soupapes résultant de la contre-pression subie lors de leur fermeture.

 

122_1_200En revanche, le système de carburateur « aspiré », plus simple (certains moteurs peuvent le recevoir en adaptation) ne permet pas de placer un échangeur air-air, dans lequel se produirait une condensation du mélange carburé comprimé.

Les dispositifs de régulation

 

Compte tenu de la charge thermique accrue provoquée par la suralimentation, un moteur « turbo » a un rapport volumétrique (taux de compression) plus faible ; de l’ordre de 8/1 maxi. Le refroidissement du haut moteur, plus sollicité, doit être amélioré. La robustesse de la ligne d’arbre également.

 

De plus, le système de suralimentation comporte plusieurs dispositifs de régulation et de sécurité : une « Wastegate », clapet taré laissant échapper une partie des gaz d’échappement en dérivation du turbo lorsque celui-ci atteint son débit maximum ; un correcteur de pression au carburateur (le système est relativement plus simple avec un moteur à injection).

 


Suralimentation Diesel

Compte tenu de la masse spécifique plus élevée du gazole, par rapport à l’essence, la suralimentation Diesel apparaît plus évidente, afin de lui apporter la quantité d’air que sa « respiration » naturelle lui permet rarement d’obtenir.

 

C’est d’ailleurs sur les moteurs Diesel de camions que la suralimentation s’est d’abord généralisée, à l’origine pour améliorer les performances sur routes de montagne (Volvo et Berliet, en 1956). Aujourd’hui, la quasi-totalité des moteurs de poids lourds au-dessus de 150 ch sont suralimentés. Sur les automobiles, la suralimentation Diesel s’est très vite généralié au point d’équiper aujourd’hui plus de 70% des modèles. Elle apporte en effet un accroissement important de la puissance disponible, et également une réduction substantielle de la pollution des gaz d’échappement. Aux États-Unis, où les normes de pollution sont très sévères, les moteurs Diesel suralimentés sont pratiquement les seuls Diesel admis.

 

Schéma de fonctionnement
d’un moteur turbo
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1. et 4. carters de turbine

2. et 3. roues

5. arbre

6. régulateur

1. ressort

8. soupape

A. pression du turbo

B. pression d’échappement

D. et C. gaz d’échappement

Le refroidissement intermédiaire

 

La compression de l’air, par un turbocompresseur lui-même très échauffé (du fait de la proximité de la turbine tournant dans les gaz d’échappement) échauffe l’air d’admission. Ce qui réduit en fait la masse d’air envoyée au moteur en un temps donné. On perd alors une bonne partie de l’avantage du turbo. Pour pallier cet inconvénient, on eut très tôt l’idée de refroidir l’air entre sa sortie du compresseur et son entrée dans le moteur. C’est le hollandais DAF qui livra les premiers véhicules équipés en série de moteurs turbo « intercooler ».

 

Aux États-Unis, Mack produit depuis longtemps des moteurs suralimentés dont l’air est refroidi par un échangeur air/eau baignant dans le circuit de refroidissement du moteur. Cette solution empêche cependant d’abaisser la température de l’air au-dessous d’une centaine de degrés.

 

Le système de l’échangeur air/air se généralise. C’est actuellement le seul employé sur les voitures particulières Diesel de série. L’échangeur est généralement monté plaqué derrière le radiateur de refroidissement du moteur. Sur certains véhicules, l’échangeur est placé à côté, avec une captation d’air séparée.

 

123_1_1_200Sur un Diesel suralimenté, on emploie une pompe d’injection spéciale, munie d’un correcteur barométrique à capsule qui réduit la quantité de carburant injectée tant que le turbocompresseur n’a pas atteint son régime de débit stabilisé.

 

L’adaptation de la courbe de réponse du turbo, (par l’emploi de turbocompresseurs à très faible inertie) permet d’obtenir des moteurs présentant une courbe de couple qui augmente très vite pour ensuite rester stable sur une large plage de régimes ; ceci leur donne une très grande souplesse.

 

 



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Voir aussi :
Remplacer un turbocompresseur
Porsche Panamera Turbo
La suralimentation : turbo ou compresseur d’une automobile


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