Les turbocompresseurs sont presque universellement utilisés dans les moteurs diesel routiers de moyen et gros calibre en Amérique du Nord, et ils sont également presque entièrement popularisés dans les moteurs de petit calibre. La définition d'un turbocompresseur est une pompe centrifuge entraînée par les gaz d'échappement, qui peut « récupérer » une partie de la chaleur perdue des cylindres du moteur. Dans les applications spécifiques des moteurs de course, la vitesse de rotation d'un turbocompresseur peut dépasser 200 000 tours par minute, mais dans les moteurs diesel, sa vitesse de rotation maximale est généralement inférieure d'environ 30 %. La fonction principale d’un turbocompresseur est de fournir de l’air d’admission sous pression aux cylindres du moteur. En bref, cela augmente la densité d'oxygène dans l'air d'admission. De plus, la turbine entraînée par les gaz d'échappement-peut également entraîner le réducteur relié au vilebrequin du moteur via un accouplement hydraulique. À ce stade, le turbocompresseur peut aider à entraîner le vilebrequin. Cette méthode est appelée technologie turbo composite et est actuellement appliquée dans la dernière génération de moteurs diesel Detroit. Il sera présenté plus en détail dans la dernière partie de ce chapitre. La figure 12-7 montre la vue droite du moteur Cummins ISX 2010, sur laquelle la position du turbocompresseur est marquée.
Figure 12-7 Vue droite du moteur Cummins ISX (marqué par la position du turbocompresseur)
Principe de fonctionnement
Un turbocompresseur est une pompe à air entraînée par les gaz d'échappement, composée d'une turbine et d'une roue installées sur le même arbre (voir Figure 12-8). L'arbre est suspendu au palier à friction par une huile lubrifiante sous pression (suspension hydrodynamique). La turbine de la turbine est entraînée par l'énergie (chaleur) des gaz d'échappement du moteur et tourne dans le carter de la turbine où s'écoulent les gaz d'échappement. La roue est située dans un boîtier de compresseur indépendant et agit sur l'air du système d'admission, en le pompant vers le côté pressurisé du système d'admission. Les gaz d'échappement entraînant la turbine n'entrent pas en contact avec l'air d'admission agissant sur la roue. La figure 12-9 montre les chemins d'écoulement du gaz et de l'huile lubrifiante dans un simple turbocompresseur.
Figure 12-8 La roue du turbocompresseur (ou roue du compresseur)
Figure 12-9 Vue en coupe du turbocompresseur (y compris le passage de l'huile lubrifiante et la direction du flux de gaz)
Le principe de fonctionnement du compresseur
L'air d'admission filtré est aspiré dans le carter du compresseur et entraîné par la roue côté compresseur de l'arbre de la turbine. La turbine entraîne la roue à tourner de l'autre côté de l'arbre de la turbine, de sorte que la vitesse de rotation réelle de la roue dépend des conditions de travail à l'intérieur du carter de la turbine. Lorsque la turbine tourne, l’air présent dans le système d’admission est accéléré jusqu’à une vitesse élevée. Le flux d'air à grande vitesse-entre dans un diffuseur radialement vers l'extérieur. Un diffuseur est un dispositif d'étranglement dont l'objectif de conception est de convertir l'énergie cinétique (énergie de mouvement) de l'air entrant en pression lors du passage du flux d'air. Le diffuseur peut être du type volute (forme d'escargot) ou du type lame (voir Figure 12-9). L'efficacité du diffuseur à pales est plus élevée.
Le principe de fonctionnement de la turbine
Les gaz d'échappement sont guidés vers le carter de turbine. Plus la valeur thermique résiduelle du moteur est élevée (qui augmente généralement avec l'augmentation de la puissance de sortie du moteur), plus l'énergie thermique des gaz d'échappement est élevée. Les gaz d'échappement pénètrent radialement dans le carter de la turbine, puis pénètrent par la volute (une structure en forme d'escargot-avec une section transversale-décroissante progressivement). La volute représente une forme d'étranglement. Mais lorsque les gaz d'échappement s'échappent de la volute, ils se dilatent et agissent sur les aubes de la turbine, puis pénètrent dans le système d'échappement dans la direction axiale.
Le degré de dilatation du gaz dans le carter de turbine dépend de la chaleur des gaz d'échappement. Dans des conditions de rendement élevé-du moteur, la chaleur perdue du moteur augmente et l'effet de la dilatation des gaz d'échappement sur les aubes de la turbine augmentera la vitesse de la turbine. Il convient de souligner que la vitesse de rotation d'un turbocompresseur dépend principalement de la chaleur des gaz d'échappement plutôt que de leur pression. L'importance de la volute doit également être comprise : plus la taille de la volute est petite, plus l'effet d'étranglement sur le flux d'air est fort, mais une volute de petite taille-signifie que les gaz d'échappement se dilatent plus complètement lorsqu'ils s'échappent. La meilleure solution est de pouvoir contrôler la zone d’écoulement de la volute, ce qui sera discuté plus en détail ci-dessous. La figure 12-10 est un diagramme schématique du flux de gaz dans un turbocompresseur, illustrant les fonctions clés de la volute et du diffuseur : Veuillez faire attention aux directions dans lesquelles le gaz s'écoule dans et hors du carter de turbine et du carter du compresseur.
Chemin du flux d'air
Comme le montre la figure 12-10, le flux d'air pénètre dans le carter de turbine selon une manière d'entrée radiale et de sortie axiale. L'air circule à travers le boîtier de la turbine dans le sens axial et sort radialement. Dans la conception de turbocompresseur la plus simple, le passage d'admission ou la gorge du carter de turbine n'est pas segmenté, c'est-à-dire que les orifices d'échappement de tous les cylindres mènent à un seul canal d'admission. Cependant, les turbocompresseurs à géométrie variable peuvent réguler le flux d'air entrant et sortant du carter de turbine. Ceci sera discuté plus loin dans cette section.
Figure 12-10 Schéma schématique du principe du flux d'air d'un turbocompresseur, démontrant les fonctions de la volute et du diffuseur.
Type de turbocompresseur
Tout d'abord, il est important de faire la distinction entre les turbocompresseurs à géométrie-fixe et les turbocompresseurs à géométrie-variable. Cet article le définit comme suit :
• Turbocompresseur à géométrie fixe- : tous les gaz d'échappement s'écoulent à travers le carter de turbine, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur.
• Turbocompresseur à géométrie variable : par commande externe ou interne, la zone d'écoulement à l'intérieur du carter de turbine est ajustée, ou une partie des gaz d'échappement est amenée à contourner le carter de turbine.
Depuis 2001, les turbocompresseurs utilisés dans la plupart des moteurs diesel commerciaux sur autoroutes appartenaient encore au type à géométrie fixe. Mais cette situation a changé. De nos jours, lorsque nous voyons un turbocompresseur à géométrie fixe-sur un moteur diesel de camion, il fait généralement partie d'un couple de turbocompresseurs en série ou d'un système de turbocompresseur composé. À l'heure actuelle, presque tous les turbocompresseurs adoptent une sorte de technologie pour réguler (contrôler) le flux de gaz d'échappement à travers le carter de turbine, que ce soit via une soupape de dérivation des gaz d'échappement ou en utilisant une géométrie variable interne.
Turbocompresseur à géométrie-fixe
Décrivons d'abord le principe de fonctionnement du turbocompresseur à géométrie fixe-. Les turbocompresseurs à géométrie fixe-sont conçus pour atteindre des performances optimales à des vitesses spécifiques et des charges thermiques perdues spécifiques, ce qui signifie qu'ils ne sont pas très polyvalents. Les ingénieurs doivent sélectionner la durée de fonctionnement pendant laquelle le rendement de la turbine est le plus élevé. La plupart des moteurs routiers qui utilisent des turbocompresseurs à géométrie fixe-atteignent généralement le rendement le plus élevé de leurs turbines à pleine charge et aux vitesses de couple maximales. Si la plage de fonctionnement est dépassée, les performances diminueront. Le turbocompresseur à géométrie fixe-a une structure simple. La figure 12-9 montre sa structure typique.
Le réglage du rendement maximal de la turbine au régime de couple maximal plutôt qu'au régime nominal permet au turbocompresseur à géométrie fixe-d'avoir des caractéristiques d'autorégulation- : lorsque le régime moteur augmente, le temps réel disponible pour la mise sous pression et l'injection de carburant dans le cylindre est raccourci. Si un turbocompresseur à géométrie fixe-fonctionne en dehors de la plage de régime spécifiée, la courbe de couple du moteur chutera rapidement, ce qui entraînera des difficultés du moteur à bas régime et à des charges élevées. Lorsqu'il est chargé à des vitesses élevées, la vitesse chutera rapidement et l'économie de carburant se détériorera également.
Avertissement:
Une mauvaise adaptation des turbocompresseurs à géométrie fixe-peut entraîner une pression de cylindre excessivement élevée, provoquant une panne du moteur ou, à l'inverse, entraîner une puissance insuffisante, des émissions de fumée noire et une augmentation des émissions nocives.
Conseils techniques :
Bien que les moteurs diesel de camion équipés de turbocompresseurs à géométrie fixe-sont conçus pour atteindre le rendement énergétique le plus élevé au couple maximal, la plupart des autres moteurs diesel utilisant des turbocompresseurs à géométrie fixe-(tels que les équipements lourds non-routiers ou les groupes électrogènes) y parviennent généralement à la vitesse nominale (puissance maximale). Dans ces applications, les turbocompresseurs à géométrie fixe- restent courants et sont généralement optimisés pour des conditions de fonctionnement à pleine -puissance et vitesse élevée-.
Turbocompresseur à géométrie variable
L’objectif du turbocompresseur à géométrie variable peut être résumé ainsi :
• Lorsque la charge du moteur est faible, faites en sorte que la turbine réponde aussi rapidement qu'un petit turbocompresseur.
• Lorsque la charge du moteur est élevée, faites en sorte que la turbine fournisse une poussée suffisante comme un gros turbocompresseur.
Les turbocompresseurs modernes contrôlés par l'ECM peuvent atteindre tous les objectifs ci-dessus et réguler avec précision tous les étages intermédiaires, apportant ainsi des vitesses de réponse plus rapides (réduisant l'hystérésis du turbo) et des émissions inférieures. Certains turbocompresseurs actuels combinent également l'utilisation de soupapes de dérivation d'échappement externes et de géométries variables internes pour gérer la pression de suralimentation dans la plage la plus large de vitesses et de charges.
• Type de commande de soupape de dérivation des gaz d'échappement
Le turbocompresseur de type soupape de dérivation des gaz d'échappement est utilisé depuis de nombreuses années. Son principe de fonctionnement est le suivant : grâce à une "valve", tous les gaz d'échappement sont contrôlés pour s'écouler à travers le carter de turbine, ou une partie des gaz d'échappement est directement contournée vers le système d'échappement. Actuellement, il existe principalement deux méthodes de contrôle :
• Commande pneumatique : Le fonctionnement de la vanne by-pass dépend de la pression du collecteur d'admission. Habituellement, un réservoir d'actionneur avec un ressort est adopté. Par défaut, l'état fermé permet aux gaz d'échappement de circuler entièrement à travers la turbine. Lorsque la pression de suralimentation du collecteur atteint la valeur définie, la pression dépasse la force du ressort pour pousser la tige d'action, ouvrant la soupape pour contourner une partie des gaz d'échappement.
• Contrôle électronique : Contrôlé par l'ECM du moteur. Par exemple, certains moteurs utilisent des turbines de dérivation d'échappement avec deux orifices d'admission. L'ECM gère avec précision la pression agissant sur l'actionneur via les électrovannes et la pression du collecteur, réalisant ainsi une régulation de suralimentation à plusieurs-étages. Son principe de contrôle peut être résumé comme un mécanisme de contrôle composé de « commande électronique - électrique - pneumatique ».
• Turbine à géométrie variable contrôlée par volute
Les turbocompresseurs à géométrie variable à volute ont été largement adoptés dans les moteurs diesel actuels. Les moteurs de course utilisent depuis de nombreuses années des buses à ouverture variable pour contrôler la zone d'écoulement de la volute, et les moteurs diesel ont emprunté cette technologie. Le premier turbocompresseur à volute appliqué aux moteurs diesel est apparu au début des années 1990, avec un succès initial limité. Mais de nos jours, la grande majorité des constructeurs de moteurs diesel ont préféré adopter la technologie à volute variable plutôt que le turbocompresseur traditionnel à soupape de dérivation d'échappement. Par exemple, la turbine à géométrie variable (VGT) installée sur le moteur Paccar MX13 illustré à la figure 12-11 en est un représentant typique. Pour illustrer le principe de fonctionnement de la turbine à géométrie variable, nous prendrons le turbocompresseur à volute typique représenté sur la figure 12-12 comme exemple d'illustration.
Figure 12-11 Turbine à géométrie variable (VGT) utilisée sur le moteur Paccar MX13
Figure 12-12 Vue en coupe de la turbine à géométrie variable (VGT), avec un focus sur son actionneur
Turbocompresseur à buse variable
La figure 12-12 montre une vue en coupe d'un turbocompresseur à buse variable typique. Veuillez vous référer à la figure 12-13 pour identifier les composants clés tels que la turbine, le pignon, la pale de buse et l'anneau synchrone.
Figure 12-13 Principe de fonctionnement des composants des turbocompresseurs VN.
Le turbocompresseur à buse variable génère la pression de suralimentation requise en ajustant l'angle de la pale pour modifier la zone d'écoulement de la volute. Ce processus est réalisé par la pression d'huile agissant sur le piston, qui engrène avec l'engrenage CAM et le vilebrequin, entraînant ainsi la rotation de l'anneau synchrone. L'anneau synchrone supporte tous les ensembles de pales. Chaque lame est équipée d'une rainure hélicoïdale. Lorsque la position de rotation de l'anneau synchrone change, la lame tourne avec son arbre de broche comme point d'appui, réalisant ainsi le réglage synchrone de l'angle d'inclinaison de la lame. Grâce à ce mécanisme, la surface d'écoulement de la volute (côté admission) peut être augmentée ou diminuée, ce qui affecte directement l'efficacité du gaz à l'intérieur du carter de turbine. En bref, la surface d'écoulement de la volute détermine la vitesse de la turbine et finalement la pression de suralimentation générée par le compresseur de la turbine.
Contrôle variable des buses
Le turbocompresseur à buse variable est régulé par la vanne de commande de buse variable. Cette vanne de régulation est un actionneur proportionnel géré par le module de commande du moteur, capable de convertir le signal de courant d'entrée en une position spécifique du segment de piston. Lorsque les pales sont proches de la position fermée (les pales ne seront jamais complètement fermées), le turbocompresseur génère la pression de suralimentation maximale. La gestion de l'air sous pression dépend entièrement de la position des pales, car l'angle des pales détermine directement la manière dont les gaz d'échappement agissent sur la turbine. La figure 12-14 montre comment la pression d'huile entraîne le segment de piston pour actionner le mécanisme à came et à manivelle, provoquant la rotation de l'anneau synchrone dans le sens des aiguilles d'une montre, élargissant ainsi les pales et réduisant le rendement gazeux de la turbine.
Figure 12-14 Turbocompresseur VN : augmentez l'ouverture des pales pour réduire l'efficacité de la turbine.
Lorsque la pression d'huile pousse le piston vers la gauche (Figure 12-15), l'anneau synchrone tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ajustant les pales à un angle proche de la position fermée, améliorant ainsi l'efficacité de la turbine pour fournir une poussée maximale. Ce processus d'action peut être mentionné dans la figure 12-16.
Figure 12-15 Turbocompresseur VN : réduisez l'ouverture des pales pour obtenir une poussée maximale.
Figure 12-16 Le rôle de l'anneau synchrone dans le contrôle de l'ouverture de la pale.
La vitesse de rotation du turbocompresseur à buse variable est renvoyée au module de commande du moteur via un capteur de vitesse axial basé sur le principe d'un générateur d'impulsions à induction. Son signal de déclenchement est extrait de la structure planaire à un endroit spécifique de l'arbre de la turbine.
3. Turbine à volute à bague collectrice
Autre structure à volute variable adoptée par les turbocompresseurs Cummins Honicell : la zone d'écoulement est ajustée en déplaçant la bague collectrice à travers l'actionneur VG. Son objectif est le même que celui de la turbine VN de Caterpillar, mais la manière d'y parvenir est légèrement différente. La figure 12-17 montre un module d'actionneur VG typique utilisé sur les moteurs après 2010.
Figure 12-17 : Module actionneur VG utilisé sur un moteur typique 10 ans plus tard.