GsI ArTHuR
20NE
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Mardi 23 Avril 2013 12:09 |
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1. Le fonctionnement d’un turbo, l’optimisation de ses performances, de sa fiabilité
2. Les nouveautés dans le turbo depuis une vingtaine d’années
Bon, déjà, je connais un peu le turbo pour la bonne raison que je travaille actuellement chez le leader mondial de la question, que je ne citerai pas, mais dont vous avez tous entendu parler. J’occupe un poste dans la recherche / développement (simulation mécanique) où je touche un peu à tous les types de turbo, à tous les domaines du turbo, à toutes les pièces.
J’en ai donc une vision assez intéressante, bien que relativement détachée de la conception elle-même : je serais tout à fait incapable de dessiner un turbo moi-même, je sais simplement quoi faire pour essayer de le fiabiliser et de l’améliorer.
PARTIE 1 : principe et conditions de fonctionnement du turbo
*** Principe :
Le but du turbo est d’augmenter la pression des gaz à l’admission du moteur, et le remplissage des cylindres, sans consommer de couple sur le vilebrequin, contrairement au « compresseur » qu’on trouve par exemple sur certaines Mercedes.
Un turbo est fait des pièces suivantes :
- Un arbre (un axe, si vous préférez), avec de chaque côté une roue : roue turbine et roue compresseur. Cet ensemble constitue le groupe tournant.
- Trois carters : le carter central, avec ses paliers, qui supportent l’arbre ; un carter autour de la roue turbine, très justement appelé « carter turbine » (« turbine housing »), où le passage des gaz forme une « volute » en forme d’escargot, et un carter autour de la roue compresseur, appelé… « carter compresseur » (« compressor housing »), avec également une volute.
- Un système de régulation permettant de contrôler le « boost » : dans les turbos « basiques », une soupape de décharge (« wastegate ») contrôlé par un actuateur pneumatique.
*** Fonctionnement :
Les gaz d’échappement du moteur entrent par l’entrée du carter turbine et arrivent sur la roue turbine. Ils l’entraînent, et elle tourne. Comme elle fait partie du groupe tournant, c’est tout ce groupe tournant qui se met à entrer en rotation. De fait, la roue compresseur, en tournant, aspire l’air venant de l’entrée compresseur et la recrache à une pression élevée en sortie compresseur. Cette surpression est appelée « boost ».
Le boost doit être optimisé pour convenir au moteur, et arriver au bon moment. Le retard de boost est appelé le « lag ». Si vous conduisez une voiture à moteur turbocompressé, c’est à cause de ce lag qu’il y a un temps mort entre le moment où vous appuyez sur la pédale et le moment où la puissance arrive. Pour réduire ce lag, il y a diverses solutions : choix d’une taille de turbo (de plus petites roues ont moins d’inertie), concept des roues, choix du système de régulation (j’en parlerai dans la 2e partie), ou même nombre de turbos. Il existe en effet des moteurs « bi turbo », généralement des moteurs en V, ayant un turbo par rangée de cylindres ; mais également des moteurs à turbo « double étage », avec un petit turbo et un gros turbo, régulés par un système de vannes, qui permet d’avoir du boost sur une plage plus élevée, à bas régime et à haut régime.
*** Conditions de fonctionnement :
Les conditions de fonctionnement d’un turbo sont parmi les plus sévères que l’on puisse trouver dans toute l’industrie mécanique. Jugez plutôt :
1. Température : les gaz d’échappement d’un moteur diesel peuvent atteidre 830°C (et même 860°C sur les futurs moteurs en développement). Pour l’essence, c’est pire : 1000 voire 1050°C.
- La roue turbine et son carter doivent donc supporter non seulement une telle température, mais surtout les montées/descentes de température. Il y a donc des phénomènes de fatigue thermomécanique sur la roue et le carter turbine. On est, dans la majorité des cas, capable de les expliquer et de les résoudre par la simulation et par la conception.
- La dilatation de l’ensemble ne doit pas créer d’efforts énormes sur les pièces, sous peine de les casser.
- Egalement, il peut se produire un phénomène de retour de chaleur quand on coupe le moteur après avoir utilisé le turbo : le côté turbine est chaud, le moteur s’arrête ; les gaz d’échappement stagnent dans le carter, et la température, plutôt que d’être évacuée, est transmise par conduction jusqu’au carter central, pouvant brûler l’huile située sur les paliers, ce qui peut être catastrophique au niveau de leur usure. Ceci est également en passe d’être modélisable.
2. Vitesse et vibrations : le groupe tournant atteint généralement des vitesses de l’ordre de 150 000 à 200 000 tours/min. Sur les petits turbos, parfois 250 000 tours/min.
- Ce groupe tournant doit donc être parfaitement équilibré. S’il y a un balourd (une masse résiduelle située à une certaine distance de l’axe), la force centrifuge peut induire des problèmes de bruit (pas très gênant pour la compétition) ou de casse. C’est un problème majeur. Il existe plusieurs solutions pour l’équilibrage, qui chacune ont leurs propres avantages, problèmes et inconvénients.
- L’assemblage du turbo, du collecteur d’échappement (parfois intégré en une seule pièce au carter de turbine, par exemple sur les moteurs Volkswagen) et du système d’échappement (catalyseur, etc.) doivent être montés suffisamment rigidement pour supporter les vibrations du moteur, et de manière suffisamment souple pour ne pas créer d’efforts lorsque le turbo est chaud.
- Il existe également des problèmes vibratoires sur l’actuateur et son support, qui, lui aussi, à son échelle, doit être suffisamment rigide.
- Les ailettes peuvent également avoir de graves problèmes de résonance. Il faut les dimensionner ad hoc.
3. Huile
- L’huile provient du même système de lubrification que celui du moteur. Parfois, l’huile est donc loin d’être saine et le turbo doit supporter cela.
*** Concevoir et fabriquer des turbos
Comment concevoir un turbo ? Je ne rentrerai pas dans le détail, évidemment. Concevoir un turbo, c’est très difficile et très long car comme je l’ai dit, le turbo concerne un peu tous les domaines de la science et de l’industrie :
- Il y a dans le turbo, tout un travail scientifique :
==> Mécanique, thermique, vibrations : cela fait appel à de la simulation numérique pour représenter ces phénomènes physiques. Mon boulot !
==> Aérodynamique, pour les roues mais aussi pour les conduits de gaz : dans le turbo, il y a un gros travail de CFD, comme en F1.
==> Acoustique
==> Fiabilité
- Il faut trouver « le bon concept » de base.
- Il faut adapter le turbo au client, selon des contraintes de coût, performances, taille, poids, …
- Il faut le fabriquer correctement, c’est un travail de précision. Et l’équilibrer. Un procédé qui lui aussi présente ses propres problèmes, que l’on tente de résoudre par simulation.
- Il faut réussir à le vendre !
*** Conclusion
Le turbo est un assemblage complexe, difficile à concevoir, avec une multitude de solutions potentielles pour l’optimiser, et des conditions de fonctionnement terribles. Les constructeurs automobiles sont de plus en plus exigeants quant à ses performances : elles sont très critiques pour réduire la consommation du moteur et obtenir un agrément correct. Il y a donc du travail !!!
PARTIE 2 : Nouveautés dans le turbo
Le gros du travail consiste surtout à optimiser le poids, le coût, la taille, la fiabilité du turbo. C’est un travail de longue haleine ! Mais il existe également de nouveaux concepts permettant un gain immédiat dans divers domaines :
1. Turbo double étage : j’en ai déjà parlé plus haut, un petit turbo et un gros turbo, pour obtenir du boost sur une large plage de régime moteur.
2. Nouveaux systèmes de régulation :
- Le turbo à géométrie variable (TGV)
J’ai parlé de la wastegate, qui est un système assez simple, formé d’un simple clapet qui s’ouvre et se ferme pour relâcher la pression. L’inconvénient est le suivant : sa géométrie étant fixe, elle correspond à un système de « tout ou rien », même si l’angle d’ouverture permet de réguler plus ou moins la pression comme on le désire. Mais ce n’est pas optimal pour le boost et le temps de réponse.
Pour optimiser le boost, et obtenir un temps de réponse plus faible, il existe un nouveau concept, inventé dans les années 90 et qui a été une révolution : le turbo à géométrie variable.
Le principe est le suivant : on régule la circulation des gaz d’échappement à l’entrée de la turbine, avant que les gaz n’atteignent la roue, au moyen d’un
système de vannes (qui tournent ou se translatent, selon le concept). Le débit de gaz entraînant la roue turbine est donc maîtrisé et peut être régulé précisément selon la charge demandée, un peu comme si la taille de la roue changeait à tout moment. Ceci permet d’élargir la plage d’utilisation du turbo pour recouvrir le plus large régime moteur possible.
Il existe de multiples concepts de turbo à géométrie variable, et beaucoup sont encore en développement… Top secret !
- L’actuation électronique
L’actuateur est le système qui permet de réguler l’ouverture de la wastegate, ou le mouvement des vannes sur un TGV (pour ceux du fond qui n’ont pas suivi, je parle du turbo à géométrie variable, pas du train). Sur les turbos « classiques » c’est un actuateur pneumatique. Mais il existe des actuateurs électroniques, gérés par l’ECU, qui permettent de gagner encore un peu de temps de réponse et de contrôlabilité.
3. Turbo à refroidissement liquide
Pour pallier le problème de retour de chaleur, il existe aujourd’hui des turbos à carter central refroidi par eau, cette eau provenant du système de refroidissement de la voiture. La régulation évite les problèmes de retour de chaleur, mais à l’inverse, le turbo qui est à 1000°C côté turbine ne doit pas faire bouillir l’eau dans le carter central !
4. Single Sequential Turbocharger (SST)
Le principe de ce turbo est le même qu’un double étage, à ceci près qu’il n’y a qu’un turbo. En effet, dans le SST, il y a deux roues compresseur, dos-à-dos, et le carter compresseur a deux conduits séparés. Un moyen « économique » pour essayer d’atteindre l’efficacité d’un double étage ; des avantages évidents de packaging et de coût.
5. Nouveaux concepts de paliers
Les paliers supportant le groupe tournant sont un élément des plus critiques. De nouveaux concepts de paliers ont été développés ou sont en développement. Des roulements à billes peuvent également remplacer ces paliers. Ils étaient principalement utilisés en compétition, mais commencent à apparaître sur les voitures de série.
6. Turbo « twin scroll »
Le principe du twin scroll consiste en la présence d’une double volute dans le carter turbine. Cette double volute permet une distribution optimale des pulsation de gaz d’échappement sur la roue turbine.
7. Nouveaux matériaux
De nouveaux matériaux sont en développement, pour supporter des températures toujours plus élevées, et des coûts toujours à la baisse. Alliages de titane, de nickel pour les roues turbine ; aciers inoxydables et nouvelles fontes pour le carter de turbine ; alliages d’aluminium ou de titane pour les roues compresseur. Il y a même des recherches pour l’utilisation potentielle des matières plastiques côté compresseur.
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En turbo et parfois en Athmo |
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tres bien tous sa pour exemple du twin scroll il y a l'insignia opc
