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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 une plaque signalétique «turbo» sur une voiture d'aspect ordinaire. Les fabricants, à dessein, fabriquent ces plaques d'identification de petite taille et les placent dans des endroits peu visibles, de sorte qu'un passant non initié ne s'en aperçoive pas et ne passe pas. Et une personne compréhensive s’arrêtera certainement et s’intéressera à une voiture. Vous trouverez ci-dessous un résumé des raisons de ce problème.

Les concepteurs automobiles (depuis la naissance de cette profession) sont constamment préoccupés par le problème de l'augmentation de la puissance des moteurs. Selon les lois de la physique, la puissance du moteur dépend directement de la quantité de carburant brûlé par cycle de travail. Plus nous consommons de carburant, plus nous consommons d'énergie. Et, disons, nous voulions augmenter le «nombre de chevaux» sous le capot - comment faire cela? C'est là que les problèmes nous attendent.

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



turbocompresseur

Le fait est que l'oxygène est nécessaire à la combustion du carburant. Donc, dans les cylindres n'est pas brûlé le carburant, mais le mélange air-carburant. Mélangez le carburant avec de l'air, pas à l'œil nu, mais dans une certaine proportion Par exemple, pour les moteurs à essence, 14 à 15 parties d'air sont utilisées 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 considérablement l’approvisionnement en air. Les moteurs classiques le sucent tout seuls en raison de la différence de pression dans le cylindre et dans l'atmosphère. La dépendance est simple: plus le volume du cylindre est grand, plus l'oxygène y pénètre à chaque cycle. C’est ce que les Américains ont fait, libérant 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, qui pompe l'air comprimé dans les cylindres. Avant que cela ne se produise, l'air passe à travers le refroidisseur intermédiaire et est refroidi - vous pouvez donc augmenter sa densité.

Il existe et pour la première fois, il a été inventé par M. Gottlieb Wilhelm Daimler (Gottlieb Wilhelm Daimler). Nom de famille familier? Pourtant, c'est elle qui est utilisée sous le nom de DaimlerChrysler. Ainsi, cet Allemand a très bien pensé aux moteurs et, en 1885, il a compris comment leur injecter 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 tournait directement de l'arbre du moteur et faisait pénétrer de l'air comprimé dans les cylindres.

L'inventeur suisse Alfred J. Büchi est allé encore plus loin. Il dirigeait le développement des moteurs diesel chez Sulzer Brothers et il détestait vivement le fait que les moteurs étaient gros et lourds et développaient peu de puissance. 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 des gaz d'échappement comme dispositif de propulsion. En termes simples, il est venu avec un turbocompresseur.

turbocompresseur

L'idée d'un Suisse intelligent est simple, comme tout brillant. Lorsque les vents tournent les ailes du moulin, les gaz d'échappement font tourner la roue avec les pales. La seule différence est que la roue est très petite et qu'il y a beaucoup de pales. La roue à aubes s'appelle le rotor de la turbine et est montée sur un arbre avec la roue du compresseur. Un turbocompresseur peut donc être divisé en deux parties: un rotor et un compresseur. Le rotor reçoit la rotation des gaz d'échappement et le compresseur qui y est connecté, fonctionnant comme un "ventilateur", pompe de l'air supplémentaire dans les cylindres. Toute cette conception ingénieuse s’appelle un turbocompresseur (du latin latin turbo-vortex et compressio-compression) ou un turbocompresseur.

turbocompresseur

Dans un moteur turbo, l'air qui pénètre dans les cylindres doit souvent être refroidi de manière supplémentaire; sa pression peut alors être augmentée en introduisant plus d'oxygène dans le cylindre. En effet, il est plus facile de comprimer l’air froid (déjà dans le cylindre du moteur) que chaud.

L'air traversant la turbine est chauffé par compression, ainsi que par des pièces de turbocompresseur chauffées 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 monté sur le trajet d’air du compresseur aux cylindres du moteur. En le traversant, il donne sa chaleur à l'atmosphère. Un air froid est plus dense, ce qui signifie qu'il peut être encore plus poussé dans le cylindre.

Plus la quantité de gaz d'échappement entrant dans la turbine est grande, 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 un compresseur à entraînement, par exemple, réside dans le fait que très peu d’énergie du moteur est dépensée pour «l’auto-entretien» de l’alimentation - seulement 1,5%. Le fait est que le rotor de la turbine reçoit de l’énergie des gaz d’échappement, non pas à cause de leur décélération, mais à cause de leur refroidissement - après la turbine, les gaz d’échappement continuent à se déplacer rapidement, mais sont plus froids. De plus, l'énergie gratuite dépensée pour la compression de l'air 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 turbocompressées 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? Il est très coûteux et difficile de fabriquer un turbocompresseur pouvant supporter des charges aussi faibles pendant une longue période.

turbocompresseur

Pour ces raisons, le turbocompresseur n’a été généralisé que pendant la Seconde Guerre mondiale, et même dans l’aviation. Dans les années 50, la société américaine Caterpillar a été en mesure de l'adapter à ses tracteurs. Des artisans de Cummins ont conçu les premiers turbodiesels pour leurs camions. Sur les voitures de tourisme de série, les moteurs turbo sont apparus même plus tard. Cela s’est passé en 1962, lorsque presque simultanément ont vu la lumière de Oldsmobile Jetfire et de Chevrolet Corvair Monza.

Mais la complexité et le coût élevé de la conception ne sont pas les seuls inconvénients. Le fait est que les performances de la turbine dépendent fortement du régime du moteur. À bas régime, il y a peu de gaz d'échappement, 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 et qu’à ce moment-là, après quatre à cinq mille tours, il «tire». Cette mouche dans la pommade s'appelle turboyama. En outre, plus la turbine est grosse, plus elle tournera longtemps. Par conséquent, les moteurs dotés de turbines à très haute puissance spécifique et à haute pression souffrent généralement d'un turbo-injecteur. Mais pour les turbines qui créent une basse pression, il n'y a presque pas de problèmes de tirage, mais elles n'augmentent pas beaucoup la puissance non plus.

Il existe des modèles plus sophistiqués. Par exemple, les ingénieurs ont eu l'idée d'installer non pas une mais deux turbines sur un moteur. L'un travaille à bas régime, créant une traction sur le "fond", et le second est activé plus tard. Cette solution s'appelait bi-turbo et permettait de faire d'une pierre deux coups: le turbojama et le problème du manque de puissance. À la fin du siècle dernier, les voitures équipées d'un système de connexion en série à une turbine jouissaient d'une certaine popularité. Elles étaient produites par Nissan, Toyota, Mazda et même Porsche. Cependant, en raison de la complexité de la conception des paupières de ces dispositifs, sa durée de vie a été courte et d’autres idées se sont répandues.

Par exemple, turbocompression parallèle ou biturbo. Autrement dit, au lieu d’une turbine, deux petites turbines identiques sont installées, qui fonctionnent indépendamment les unes des autres. 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 placées sur des moteurs en V, une pour chaque moitié.

Une autre option est les turbines avec deux "escargots", ou double-scroll. L'un d'eux (légèrement plus grand) reçoit les gaz d'échappement de la 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 les concepteurs ne se sont pas calmés non plus. Naturellement, en clôturant deux turbines, il est beaucoup plus facile d’en gérer une. Il est seulement nécessaire de faire fonctionner la turbine de manière aussi efficace sur toute la plage de régimes. Il y avait donc des turbines à géométrie variable. Ici le plaisir commence. En fonction de la vitesse, des pales spéciales sont mises en rotation 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 des décennies, mais ils ont pu les concrétiser relativement récemment. De plus, les turbines à géométrie variable sont d'abord apparues sur les moteurs diesel, heureusement, la température des gaz y est beaucoup plus basse. Et des voitures à essence, les premières essayées sur une Porsche 911 Turbo.

turbocompresseur

La conception des moteurs turbo est évoquée depuis longtemps et, récemment, leur popularité a considérablement augmenté. En outre, les turbocompresseurs se sont avérés prometteurs non seulement en termes de moteurs à suralimentation, mais également en termes d’amélioration de l’efficacité et de la pureté des gaz d’échappement. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs diesel. Le diesel rare aujourd'hui ne porte pas le préfixe "turbo". En effet, installer une turbine sur des moteurs à essence vous permet de transformer une voiture d'aspect ordinaire en un véritable "plus léger". Celui avec une petite plaque "turbo" à peine perceptible.