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Le turbo est utilisé pour forcer plus d'air dans le cylindre qu'il n'y aurait
eu par aspiration normale afin de pouvoir injecter plus de carburant (donc
générer plus de puissance). Le turbo est l'appareil qui aspire l'air pour le
forcer dans le cylindre. Il y a 3 méthodes pour entraîner les turbos :
- par les gaz d'échapement (turbo-charger)
- par le moteur lui même (supercharger)
- par un moteur électrique (e-booster).
L'entraînement du turbo par les gaz d'échappement permet de d'utiliser une
partie de la puissance perdue dans les gaz d'échappement.
Application des turbos :
Adjoindre un turbo à un petit moteur permet de donner des accélérations
équivalentes à un moteur (sans turbo) mais de plus grosse cylindrée, tout en
ayant une consommation réduite au ralenti. Cela est appelé "downsizing".
Le plus utilisé est le turbo-charger. Les supercharger sont parfois
utilisés. Quant aux e-booster, ils sont au stade d'étude ou de prototypes.
L'utilisation des turbos se développe (11millions produits par an dans le
monde).
Contraintes actuelles des turbos :
Les turbos ont eu mauvaise réputation pour leur fiabilité dans les années
1980. Maintenant que les roulements sont refroidis par eau, ces problèmes sont
résolus. La prochaine étape est de ne plus avoir d'huile : ainsi, le turbo
pourra être installé dans différentes orientations (y compris vertical).
Vis à vis des émissions polluantes, au démarrage à froid, le turbo absorbe
une partie de la chaleur des gaz d'échappement et ralenti le réchauffement du
catalyseur. On voit donc maintenant des turbo plus légers.
Confort d'utilisation :
Le problème principal des turbos est le retard entre la demande
d'accélération et l'augmentation effective de la puissance moteur. Ensuite
quant cette puissance augmente, elle augmente parfois trop vite.
Pour y remédier, de nouvelles techniques apparaissent :
| Turbos à géométrie variable : on modifie l'orientation des pales de la turbine : permettant d'extraire plus de puissance à basse vitesse et de diminuer l'effet turbo à hauts régimes. Mais du fait que ce sont les gaz d'échappement qui apportent la force de compression, il y a un retard inérant. |  |
| Supercharger : Ce type de turbo est surtout utilisé sur les Mercedes : SLK230, C230 Kompressor utilisent ce type de turbo. |  |
| Turbo variable : This is a variant from the variable geometry inltets/outlets : here, the position of a cover over the inlets is changed (Citroën). |  |
| e-booster : c'est en fait un compresseur électrique : l'électricité apporte la souplesse (temps de réponse de l'ordre de 300ms) mais demande une grande puissance électrique. Les alternateurs 12v ne permettent les puissances électriques souhaitées sur ces moteurs. c'est avec le 42volt que ce type de turbo devrait se développer. |  |
| Ram air : effet de bélier : la tubulure d'admission a une forme ouverte vers l'avant : plus le véhicule roule vite, plus la pression augmente. |  |
Technics related to Turbo usage
Intercooler : refroidisseur
En se comprimant, l'air se réchauffe. Cela est néfaste au rendement du moteur.
certains Turbos sont donc dotés d'un dispositif de refroidissement de l'air
couramment appelé 'intercooler' placé entre la sortie du turbo et de
l'admission pour le ramener vers 50/60 degrés.
Response time improvement :
At low speed, exhaust based turbos need time to generate the power boost :
this can be compensated by changes in jnection and ignition parameters :
A late injection of gasoline followed by late ignition pulse generates high
pressure in the exhaust port.
I do not know if this technique is compatible with reduction of engine emission
(if somebody knows, please tell me).
Turbocoumpounding : Entraînement du
moteur par les gaz d'échappement.
Plus de 65% de l'énergie générée par la combustion est perdue dans l'échappement.
Cette technique a été utilisée dans les avions vers 1940.
Elle n'est pas adaptée aux voitures. Mais elle est utilisée sur les camions (Scania
470 - moteurs I6 11liltres et 12litres).
L'extraction de l'énergie est facile mais la partie le plus difficile est de la
transmettre au moteur :
de 50000tour/mn, il faut retomber à 1800tour/mn.
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Scania utilise un visco coupleur après la turbine pour lisser la puissance. |
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Voici l'implémentation de ce compound-turbo sur le moteur in-line 6 de 12 litres de cylindrée. |
Supercharger Mercedes
La photo ci-dessous montre bien le supercharger (entre le filtre à air et le refroidisseur). On voit aussi le module électronique de commande du moteur.
En bas du moteur, on voit les axes du balancier de type Lanchester
pour équilibrer le moteur.
Turbo Renault
La photo ci-dessous montre le turbo de l'Avantime conçu pour éviter
la ré-aspiration des gaz entre cylindres. Cette solution est plus adaptée aux
moteurs de 2500cc et plus.
Turbo à géometrie variable
Ce type est devenu commun sur les voitures en Europe. Pour les diesel, on modifie
l'orientation des pales de la turbine sur les gaz d'échappement.
Pour les moteur à essence, du fait de la plus grande température des gaz d'échappement
(min = 950°C au lieu de 800°C max pour les diesel) , on est obligé d'agir sur
les pales du compresseur d'air; l'amélioration de matériaux permettra sans
doute de faire comme en diesel.
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Ces photos illustrent le fonctionnement des turbos à
géométrie variable :
Le challenge est de commander des pales qui sont à 950degrés Celsius. La commande était par un vérin pneumatique. Les nouveaux turbo ont des commandes à moteur électrique (avec un réducteur). Ce type de commande permet une meilleur intégration électronique (commande par un microprocesseur 8bits avec puissance intégrée). |
 Actuator = here, it is an air based actuator. (this was used to keep the electronic cool). |
late injection of galosine followed by late ignition provide
with immediate boost : exhaust gazes do not have time to cool before they
reach the turbo (and pressure is very high). |
Double
Turbo
Turbo inherant constraint is the big difference in exhaust gaz
flow between low speed and high speed.
One way is to have variable geometry turbo.
The other way is to have 2 turbos : 1 for low speed and 1 for high speed.
Here, the electronic is very basic : there is 1 valve on exhaust gaz to active
the high speed turbo when exhaust flow reaches enough energy.
The photo below is showing the twin turbo for Opel CDTi 1.9 : the power is up to
252ch !!!
Note1 : this is also used by BMW.
Note2 : this has nothing to do with the double turbo found in
"V" engines, where you have 1 turbo per branch of the Vee.
This technique has already been used. its drawback it the more sophisticated pipe connections.
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| Principle : The pinciple is easy to describe : an electric engine is pushing air inside the cylinders. | The reality is more complex : * within 300ms you have to start an electric engine up to 50,000 / 80,000rpm !!! * this engine is drawing about 2KW !!! => ce moteur électrique est donc placé tout prêt de la batterie. actuators = DC-brushless |
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Actuators : - 1 clutch to disengage the turbo above 2500 rpm - 1 bypass valve to allow to engage the clutch (minimizes torque while clutch is not fully engaged) |