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Qu'est-ce que le turbocompresseur?

Sans aucun doute, chacun de nous au moins une fois dans sa vie a remarqué l'étiquette «turbo» sur une voiture d'aspect normal. Les fabricants, comme à dessein, fabriquent ces plaques d'identification de petite taille et les placent dans des endroits peu visibles, de sorte que les non-initiés ne se rendent pas compte. Et une personne compréhensive s’arrêtera certainement et s'intéressera à la voiture. Ce qui suit est une histoire sur les raisons de ce comportement.

Les constructeurs automobiles (depuis l'apparition de ce métier) sont constamment préoccupés par le problème de l'augmentation de la puissance des moteurs. Les lois de la physique stipulent que la puissance du moteur dépend directement de la quantité de carburant brûlé par cycle. Plus nous consommons de carburant, plus nous consommons d'énergie. Et, disons, nous voulions augmenter le "bétail de chevaux" sous le capot - comment le faire? C'est là que les problèmes nous attendent.

Le turbocompresseur est constitué de deux “escargots” - les gaz d'échappement traversent un, et le second “pompe” l'air dans les cylindres.



turbocompresseur

Le fait est que pour brûler du carburant, il faut de l'oxygène. Ce n’est donc pas le carburant qui brûle dans les cylindres, mais le mélange air-carburant. Il n'est pas nécessaire d'interférer avec le carburant avec de l'air à l'œil nu, mais dans une certaine proportion. Par exemple, pour les moteurs à essence, on compte 14 à 15 parties d'air pour une partie du carburant, en fonction du mode de fonctionnement, de la composition du carburant et d'autres facteurs.

Comme on peut le constater, il faut beaucoup d’air. Si nous augmentons l'approvisionnement en carburant (ce n'est pas un problème), nous devrons également augmenter de manière significative l'alimentation en air. Les moteurs conventionnels l’aspirent indépendamment en raison de la différence de pression dans le cylindre et dans l’atmosphère. La dépendance est directe - plus le volume du cylindre est grand, plus il aura d’oxygène à chaque cycle. Les Américains aussi, produisant d’énormes moteurs avec une consommation de carburant à couper le souffle. Y a-t-il un moyen de générer plus d'air dans le même volume?

turbocompresseur

Les gaz d'échappement du moteur font tourner le rotor de la turbine, qui à son tour entraîne le compresseur, ce qui force l'air comprimé dans les cylindres. Avant que cela ne se produise, l'air passe à travers le refroidisseur intermédiaire et se refroidit - vous pouvez donc augmenter sa densité.

Là, et pour la première fois inventé par M. Gottlieb Wilhelm Daimler (Gottlieb Wilhelm Daimler). Nom de famille familier? Pourtant, il est utilisé dans le nom DaimlerChrysler. Ainsi, cet Allemand a très bien pensé aux moteurs et, en 1885, a compris comment y introduire plus d’air. Il a supposé pomper de l'air dans les cylindres à l'aide d'un compresseur, qui était un ventilateur (compresseur), qui recevait la rotation directement de l'arbre du moteur et forçait l'air comprimé dans les cylindres.

L'ingénieur-inventeur suisse Alfred Büchi (Alfred J. Büchi) est allé encore plus loin. Il était responsable du développement des moteurs diesel chez Sulzer Brothers, et il détestait catégoriquement que les moteurs soient gros et lourds et que la puissance ne se développait pas beaucoup. Il ne souhaitait pas non plus utiliser l’énergie du «moteur» pour faire tourner le compresseur. Par conséquent, en 1905, M. Buchi a breveté le premier dispositif d'injection au monde, qui utilisait l'énergie d'échappement comme une hélice. En termes simples, il est venu avec un turbocompresseur.

turbocompresseur

L'idée d'un Suisse intelligent est simple mais ingénieuse. Lorsque les vents font tourner les ailes du moulin, les gaz d'échappement font également tourner la roue à aubes. La seule différence est que la roue est très petite et qu'il y a beaucoup de pales. Une roue à aubes est appelée rotor de turbine et est montée sur un arbre avec une roue de compresseur. De manière classique, le turbocompresseur peut être divisé en deux parties: le rotor et le compresseur. Le rotor reçoit la rotation des gaz d'échappement et le compresseur qui y est connecté, fonctionnant comme un «ventilateur», force l'air supplémentaire dans les cylindres. Toute cette conception délicate appelée le turbocompresseur (du latin latin turbo - un tourbillon et une compression-compression) ou un turbocompresseur.

turbocompresseur

Dans un moteur turbo, l'air qui pénètre dans les cylindres doit souvent être refroidi davantage. Ensuite, sa pression peut être augmentée en introduisant plus d'oxygène dans le cylindre. Après tout, la compression de l'air froid (déjà dans le cylindre du moteur) est plus facile que la chaleur.

L'air qui traverse la turbine est chauffé par compression, ainsi que par des parties du turbocompresseur, chauffé par les gaz d'échappement. L'air fourni au moteur est refroidi à l'aide d'un refroidisseur intermédiaire. Il s’agit d’un radiateur installé dans le circuit d’air du compresseur aux cylindres du moteur. En le traversant, il donne sa chaleur à l'atmosphère. Et l'air froid est plus dense - cela signifie qu'il peut être encore plus poussé dans le cylindre.

Plus la quantité de gaz d'échappement entrant dans la turbine est élevée, plus elle tourne rapidement et plus d'air entrant dans les cylindres, plus la puissance est élevée. L’efficacité de cette solution par rapport à, par exemple, avec un surpresseur entraîné en ce sens qu’une grande partie de l’énergie du moteur est consacrée au «self-service» de la suralimentation - seulement 1,5%. Le fait est que le rotor de la turbine reçoit de l’énergie des gaz d’échappement non pas en raison de leur ralentissement, mais en raison de leur refroidissement - après la turbine, les gaz d’échappement sont toujours rapides, mais plus froids. En outre, l'énergie libre dépensée dans l'air comprimé augmente l'efficacité du moteur. Et la capacité de réduire davantage la puissance d'un volume de travail réduit signifie moins de pertes par frottement, moins de poids du moteur (et de la machine dans son ensemble). Tout cela rend les voitures turbo plus économiques par rapport à leurs homologues atmosphériques de puissance égale. Il semblerait, le voici, le bonheur. Mais non, pas si simple. Les problèmes ne font que commencer.

turbocompresseur

Premièrement, la vitesse de rotation de la turbine peut atteindre 200 000 tours par minute, deuxièmement, la température des gaz chauds atteint, essayez d'imaginer 1000 ° C! Qu'est-ce que tout cela signifie? Le fait de fabriquer un turbocompresseur, qui peut supporter des charges aussi faibles pendant longtemps, est très coûteux et difficile.

turbocompresseur

Pour ces raisons, le turbocompresseur ne s'est généralisé que pendant la Seconde Guerre mondiale, et même dans l'aviation. Dans les années 50, la société américaine Caterpillar a réussi à l'adapter à ses tracteurs et les artisans de Cummins ont conçu les premiers moteurs turbo diesel pour leurs camions. Sur les voitures de série, le turbo est apparu plus tard. C'est arrivé en 1962, lorsque les Oldsmobile Jetfire et Chevrolet Corvair Monza ont vu la lumière presque simultanément.

Mais la complexité et le coût élevé de la construction ne sont pas les seuls inconvénients. Le fait est que l'efficacité de la turbine dépend fortement du régime du moteur. À bas régime, les gaz d'échappement sont légèrement, le rotor tourne légèrement et le compresseur ne souffle presque pas d'air supplémentaire dans les cylindres. Par conséquent, il arrive que le moteur ne tire pas du tout jusqu'à trois mille tours par minute, puis seulement, des milliers après quatre ou cinq, "tire". Cette cuillère de goudron s'appelle turbo bosse. Et plus la turbine est grosse, plus elle se déroulera longtemps. Par conséquent, les moteurs avec une densité de puissance très élevée et des turbines à haute pression souffrent généralement de turbojam. Mais pour les turbines à basse pression, il n’ya presque pas de pannes, mais elles n’augmentent pas trop la puissance.

Il existe des modèles plus sophistiqués. Par exemple, des ingénieurs ont proposé d'installer deux turbines sur le moteur, pas une. L'un travaille à bas régime, créant des fringales sur les "fonds", et le second est activé plus tard. Cette solution s'appelait bi-turbo et permettait de faire d'une pierre deux coups: le lagon turbo et le problème du manque de puissance. À la fin du siècle dernier, les voitures équipées d'un système de connexion séquentielle à turbine avaient une certaine popularité: elles étaient produites par Nissan, Toyota, Mazda et même Porsche. Cependant, en raison de la complexité de la conception, l'âge de ces dispositifs était de courte durée et d'autres idées sont devenues populaires.

Par exemple, turbocompression parallèle ou biturbo. C'est-à-dire qu'au lieu d'une turbine, ils ont installé deux petites turbines identiques, qui fonctionnent indépendamment l'une de l'autre. L'idée est la suivante: plus la turbine est petite, plus elle tourne vite, plus le moteur est «réactif». En règle générale, deux petites turbines étaient installées sur des moteurs en forme de V, une pour chaque "demi".

Une autre option - la turbine avec deux "escargots", ou twin-scroll. L'un d'eux (légèrement plus grand) reçoit les gaz d'échappement d'une moitié des cylindres du moteur, le second (légèrement plus petit) - de la seconde moitié des cylindres. Les deux fournissent des gaz à une turbine, la faisant tourner efficacement à basse et à grande vitesse.

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Mais là-dessus, les concepteurs ne se sont pas calmés. Naturellement, il est beaucoup plus facile de gérer deux turbines. Il est seulement nécessaire de faire fonctionner la turbine de manière égale sur toute la plage de régimes. Ainsi apparurent des turbines à géométrie variable. C'est là que commence le plaisir. En fonction de la vitesse, des ailettes spéciales tournent et la forme de la buse varie. Le résultat est une «super turbine» qui fonctionne bien sur toute la plage de régimes. Ces idées sont dans l'air depuis plus d'une douzaine d'années, mais elles ont été mises en œuvre relativement récemment. Et d’abord, des turbines à géométrie variable sont apparues sur les moteurs diesel, l’avantage étant que la température des gaz y est beaucoup moins élevée. Et sur des voitures à essence, le premier a essayé une telle turbine Porsche 911 Turbo.

turbocompresseur

La conception du moteur turbo a longtemps été à l’esprit et récemment, sa popularité a considérablement augmenté. De plus, les turbocompresseurs se sont avérés prometteurs non seulement en termes d’accélération des moteurs, mais également en termes d’amélioration de l’efficacité et de la propreté des gaz d’échappement. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs diesel. Le diesel rare aujourd'hui ne porte pas le préfixe "turbo". Mais l'installation de la turbine sur les moteurs à essence vous permet de transformer une voiture d'aspect ordinaire en un véritable «plus léger». Celui avec une petite étiquette "turbo" à peine perceptible.