Comment fonctionne un turbocompresseur

Ce que montre le modèle

Appuyez sur l’accélérateur d’une petite voiture turbo à faible allure et, pendant une seconde environ, il ne se passe pas grand-chose. Puis la voiture tire comme si le moteur avait grandi. Ce temps mort et cette poussée viennent tous deux de la pièce au milieu de ce modèle : un turbocompresseur, petit ventilateur entraîné par les propres gaz d’échappement du moteur, qui souffle de l’air en plus dans les cylindres.

Le modèle est un moteur à essence quatre cylindres de 2,0 litres avec un turbo, un échangeur air-air à l’avant et les conduits qui les relient. Le turbo est coupé le long de son arbre, et les faces rouges montrent la coupe. Les points orange sont les gaz d’échappement. Les points bleus sont de l’air frais : ils virent au violet quand l’air chauffe et reviennent vers le bleu quand il refroidit. Les points jaunes sont de l’huile. L’affichage donne la vitesse de l’arbre du turbo, la pression de suralimentation, la température de l’air après le compresseur et après l’échangeur, l’air que prend chaque cylindre et la puissance. Tout est calculé à partir de l’onglet Réglages avec les formules données plus bas. Le graphique au-dessous montre les huit dernières secondes : vous voyez le turbo rattraper son retard quand vous bougez l’accélérateur.

Les chiffres sont des valeurs de modèle pour un petit moteur turbo à essence typique. Ils ne viennent des données d’aucun constructeur, et la section vers la fin énumère ce que le modèle laisse de côté.

Pourquoi un moteur veut de l’air plus dense

Un moteur à essence brûle son carburant avec l’oxygène de l’air qu’il aspire, et la quantité de carburant qu’il peut brûler est limitée par cet air. Dans l’exposition moteur à quatre temps, chaque cylindre se remplit une fois tous les deux tours de vilebrequin. Le volume qu’il remplit est fixé par l’alésage et la course : la seule façon de faire entrer plus d’air, c’est de le rendre plus dense avant qu’il n’arrive.

Dans ce modèle, chacun des quatre cylindres balaie un demi-litre et se remplit à 90 % (c’est son rendement volumétrique). L’air extérieur à 25 °C et à la pression normale au niveau de la mer a une masse volumique de 1,184 kg/m³ ; un cylindre qui respire seul prend donc

0,9 × 0,0005 m³ × 1,184 kg/m³ = 533 mg d’air à chaque temps d’admission.

À 6000 rpm, cela fait 107 grammes d’air par seconde pour tout le moteur. Brûlé avec un rapport air-carburant de 14,7 et un rendement effectif de 30 %, le carburant que cet air permet de brûler donne 94 kW. Avec le turbo réglé sur un bar de suralimentation et l’échangeur en marche, le même cylindre reçoit 984 mg et le moteur donne 173 kW. Le moteur n’a pas grandi ; l’air a été tassé.

L’échappement fait tourner la turbine, l’arbre fait tourner le compresseur

Les gaz qui sortent des cylindres sont chauds et sous pression, et dans un moteur sans turbo cette énergie part par le pot d’échappement. Ici, les quatre conduits du collecteur d’échappement l’envoient dans le carter de turbine, une volute en fonte qui fait une fois le tour de la roue de turbine en se resserrant. Ce rétrécissement accélère le gaz et le fait tourbillonner ; il traverse vers l’intérieur les onze aubes de la roue, puis sort le long de l’axe vers la descente. La poussée du gaz sur les aubes fait tourner la roue.

À l’autre bout du même arbre en acier se trouve la roue de compresseur, qui tourne donc exactement à la même vitesse. L’air venu du filtre y entre le long de l’axe, et les aubes courbes le projettent vers l’extérieur à la périphérie. La volute en aluminium autour du compresseur s’élargit au fil du parcours, ce qui ralentit cet air rapide et transforme sa vitesse en pression. Le même couple d’idées, une turbine qui tire du travail du gaz chaud et un compresseur qui le donne à l’air froid, fait tourner un moteur à réaction, sauf qu’ici il n’y a pas de chambre de combustion entre les deux : ce sont les cylindres du moteur qui brûlent le carburant.

À quelle vitesse tourne-t-il ? Garrett, l’un des plus grands fabricants, indique que ses plus gros turbos tournent jusqu’à 63 000 rpm et ses plus petits à plus de 300 000 rpm. La roue de compresseur du modèle mesure 50 mm de diamètre et, pour donner un bar de suralimentation, elle doit tourner à environ 142 000 rpm. Sa périphérie se déplace alors à

2π × 0,025 m × 142 300 / 60 s = 373 m/s,

plus vite que le son dans l’air extérieur. À l’écran, les roues tournent 2000 fois moins vite que ce qu’indique l’affichage.

Un arbre qui flotte sur l’huile

La plupart des turbos portent l’arbre sur des bagues lisses et un film d’huile, et certains turbos de compétition utilisent à la place des roulements à billes spéciaux. Dans le modèle, une durite tressée amène l’huile moteur de la rampe principale jusqu’au sommet du carter central. L’huile remplit le jeu autour de deux bagues en bronze, qui flottent entre l’arbre et le carter, et l’arbre roule sur ce film sans toucher de métal. Une butée près du compresseur encaisse la poussée le long de l’arbre. L’huile tombe ensuite par le gros orifice de vidange du bas et retourne au carter d’huile : c’est pourquoi la durite de retour est épaisse et descend tout droit.

L’huile emporte aussi de la chaleur. Le côté turbine baigne dans les gaz d’échappement tandis que le côté compresseur respire l’air extérieur, et le carter central fait le pont entre les deux. Pour la même raison, certains turbos ajoutent au carter central une chemise de liquide de refroidissement, qui protège l’huile de la surchauffe.

Comprimer l’air le chauffe

Gonflez un pneu de vélo et le corps de la pompe chauffe. Un compresseur fait la même chose bien plus vite, et l’air n’a pas le temps de céder sa chaleur. Pour un compresseur idéal, sans pertes, la température de sortie vaut

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

où PR est le rapport de pression et γ vaut 1,4 pour l’air. Un bar de suralimentation au-dessus des 1,013 bar extérieurs donne un rapport de pression de 1,987. En partant de 298,15 K (25 °C) :

298,15 K × 1,987^0,286 = 362,8 K, soit environ 90 °C.

Un vrai compresseur gaspille une partie de son travail en chaleur supplémentaire. Le modèle prend un rendement de 72 %, qui divise la hausse de température :

T₂ = 298,15 × (1 + (1,2168 − 1) / 0,72) = 387,9 K, soit environ 115 °C.

C’est la ligne « Après compresseur » de l’affichage. Poussez la limite de pression à 1,5 bar et elle monte à 148 °C. Ce travail coûte de la puissance : 90 kJ par kilogramme d’air, environ 18 kW à 6000 rpm, entièrement pris à l’échappement par la turbine.

Refroidir la charge rend la densité

L’air chaud est un air léger. La loi des gaz parfaits relie les trois grandeurs par ρ = p / (R T), avec R = 287 J/(kg·K) pour l’air. Avec un bar de suralimentation, l’air quitte le compresseur à 201 325 Pa et 387,9 K :

ρ = 201 325 / (287,05 × 387,9) = 1,808 kg/m³.

La pression a presque doublé, mais la masse volumique n’a été multipliée que par 1,53, car une bonne part du gain est partie en chaleur. L’air chaud qui entre dans les cylindres rapproche aussi le mélange du cliquetis, quand le carburant s’enflamme tout seul avant l’étincelle.

L’échangeur air-air est un radiateur pour l’air d’admission. La charge passe dans des tubes plats tandis que le flux d’air à l’avant de la voiture traverse les ailettes entre eux. L’échangeur du modèle retire 75 % de la hausse de température :

T₃ = 387,9 − 0,75 × (387,9 − 298,15) = 320,6 K, soit environ 47 °C.

À pression égale, la masse volumique vaut maintenant 201 325 / (287,05 × 320,6) = 2,188 kg/m³, 1,85 fois celle de l’air extérieur. Coupez l’échangeur dans Réglages et la puissance à 4000 rpm tombe de 115 kW à 95 kW sans aucun changement de pression.

Tenir la pression à une limite

À haut régime, il y a bien plus de gaz d’échappement que le turbo n’en a besoin. Dans le modèle, à 6000 rpm pied au plancher, l’échappement pourrait pousser le compresseur jusqu’à un rapport de pression d’environ 3, bien au-delà de ce que le moteur peut supporter. La soupape de décharge (wastegate) l’en empêche. C’est un clapet dans le carter de turbine qui ouvre un passage direct vers la sortie, si bien qu’une partie du gaz contourne la roue de turbine. Un actionneur, boîtier étanche avec un ressort et une membrane, pousse le clapet quand la pression atteint la limite. Garrett le décrit ainsi : à un niveau préréglé, la wastegate s’ouvre et laisse les gaz d’échappement contourner la turbine.

Le curseur « Limite de pression » déplace ce niveau préréglé. À 4000 rpm, le clapet est ouvert à environ 16 % ; à 6000 rpm il est ouvert à peu près à moitié, et l’affichage montre la pression qui reste à un bar pendant que le régime monte. Mettez la limite à zéro et le clapet reste grand ouvert ; le moteur respire alors comme un moteur atmosphérique et donne environ 94 kW à 6000 rpm.

Pourquoi la puissance arrive en retard

Le turbo ne peut prendre de la vitesse qu’aussi vite que l’échappement le pousse, et quand vous roulez avec peu d’accélérateur, il n’y a pas beaucoup de gaz. Enfoncez la pédale et le moteur ne reçoit d’abord que l’air qu’il peut aspirer lui-même. Cela donne un peu plus de gaz, qui fait tourner le turbo un peu plus vite, qui donne un peu plus de pression, et ainsi de suite jusqu’à la limite. Cette attente s’appelle le temps de réponse du turbo (ou turbo lag).

Le modèle fait monter la vitesse de l’arbre vers sa cible avec un retard d’autant plus long qu’il y a moins de gaz. À 2000 rpm, en passant de 15 % à pleine charge, l’arbre monte d’environ 19 800 à 101 600 rpm ; il est à mi-chemin au bout de 0,7 seconde et à 90 % au bout de 2,4 secondes. À 3500 rpm, le même passage met 1,7 seconde pour atteindre 90 %. La dernière étape de la visite lance cet essai, et le graphique montre la ligne rouge de la vitesse de l’arbre et la ligne bleue de la pression en retard sur la ligne grise de l’accélérateur.

Il y a un second effet, distinct. À bas régime, l’échappement ne peut pas faire tourner le turbo assez vite pour la pleine pression, si longtemps qu’on attende. Dans le modèle, pied au plancher à 2000 rpm ne donne que 0,45 bar, et la pleine pression n’arrive qu’au-dessus d’environ 3500 rpm. C’est le seuil de suralimentation. Les constructeurs combattent ces deux effets avec des roues plus petites et plus légères, des carters à double entrée (twin-scroll), des ailettes variables dans la turbine et, plus récemment, des moteurs électriques sur l’arbre.

En quoi ce modèle diffère d’un vrai turbo

• Le turbo est dessiné à peu près à l’échelle, mais les parois des carters, la forme des aubes et le tracé des conduits sont simplifiés.
• Le rendement du compresseur, l’efficacité de l’échangeur et le rendement volumétrique du moteur sont des nombres fixes. Dans un vrai moteur, ils varient avec le débit et la vitesse, et les constructeurs décrivent un compresseur par un champ de fonctionnement plutôt que par une seule valeur.
• Le côté échappement est une seule formule donnant la pression que la turbine pourrait fournir, la soupape de décharge prenant le reste. Les pulsations de chaque cylindre, la contre-pression et la température des gaz ne sont pas modélisées.
• Le moteur brûle son carburant avec un rapport air-carburant fixe de 14,7 et un rendement fixe de 30 %. Les vrais moteurs turbo tournent plus riche à pleine pression et retardent l’allumage pour éviter le cliquetis.
• Les pertes de charge dans le filtre, les conduits et l’échangeur sont ignorées, tout comme la soupape de délestage (blow-off) qui laisse échapper la pression quand l’accélérateur se ferme.

Des moteurs de navire aux petites voitures à essence

Le brevet de 1905 de l’ingénieur suisse Alfred Büchi est généralement considéré comme le début de la turbocompression. Brown Boveri a achevé son premier turbocompresseur pour gros moteurs, le VT402, en juin 1924, et les paquebots allemands Preussen et Hansestadt Danzig, lancés en 1926, ont été les premiers navires à moteurs suralimentés par turbo, construits sous la supervision de Büchi. Les avions ont suivi : à partir de la fin des années 1930, le Boeing B-17 a volé avec des turbos General Electric, qui conservaient la puissance de ses moteurs dans l’air raréfié de l’altitude. Dans l’automobile, le temps de réponse et l’encombrement les ont longtemps freinés. Aujourd’hui, un turbo est un moyen courant de tirer plus de puissance d’un moteur plus petit, ce que les ingénieurs appellent le downsizing.

Pourquoi un bar ne double pas exactement la quantité d’air

Le manomètre de suralimentation mesure généralement la pression au-dessus de l’atmosphère, tandis que la loi des gaz utilise la pression absolue, mesurée depuis le vide. Prenons un exemple arrondi : une atmosphère de 1 bar absolu et une température d’admission constante. Une suralimentation de 1 bar correspond alors à 2 bar absolus. D’après ρ = p / (R T), doubler la pression absolue double la masse volumique, donc la masse d’air contenue dans le même cylindre. Cela ne signifie pas qu’ajouter un bar double toujours l’air : en partant de 2 bar absolus, un bar supplémentaire donne un rapport de 3 / 2.

La température modifie le résultat. Supposons que la compression porte l’air de 300 K à 400 K en doublant sa pression absolue. Ce sont des hypothèses d’illustration, pas une autre configuration du modèle. Le rapport des masses volumiques devient 2 × 300 / 400 = 1,50. Refroidir cette charge à 330 K sans changer la pression donne 2 × 300 / 330 = 1,82. Le refroidisseur n’a ajouté aucune pression dans ce calcul : il permet de loger davantage de masse dans le volume disponible. Il faut utiliser les kelvins. Diviser des températures en degrés Celsius serait incorrect, car cette échelle ne commence pas au zéro absolu.

L’exposition utilise une pression atmosphérique de 1,013 bar, et non la valeur arrondie de 1 bar. Sa suralimentation de 1 bar donne donc un rapport de pression légèrement inférieur à 2 ; les températures et densités diffèrent un peu de cet exemple. Un échangeur réel entraîne aussi une perte de pression, et un filtre obstrué diminue la pression à l’entrée du compresseur. Le guide de cartographie de Garrett prend en compte les pertes d’entrée et de sortie pour calculer le rapport réel. Le chiffre au tableau de bord ne suffit pas à connaître l’effort du compresseur.

La puissance prête à une confusion voisine. Davantage d’oxygène permet de brûler plus de carburant ; cela ne remplace pas le carburant. Avec le mélange et le rendement fixes de l’exposition, une hausse proportionnelle de masse d’air produit une hausse proportionnelle de puissance calculée. Un calculateur réel peut limiter le couple, retarder l’allumage ou modifier le mélange. Deux moteurs affichant la même suralimentation peuvent avoir des températures d’admission, cylindrées et puissances différentes. La pression est une information utile, pas une mesure directe des chevaux ni de la sécurité mécanique.

Pourquoi une grande roue ne peut pas tourner toujours plus vite

Le calcul précédent de vitesse périphérique relie la vitesse de l’arbre au déplacement réel de la pointe des pales. Avec la roue de 50 mm du modèle, 100 000 rpm donnent environ 262 m/s. À 250 000 rpm, le même calcul donne environ 654 m/s. Ce sont des exemples géométriques dans une plage plausible pour de petits turbos, pas des points de fonctionnement autorisés pour cette roue. Sa résistance réelle dépend du matériau, du profil des pales et de la limite du fabricant. Les particules colorées et la rotation volontairement ralentie ne montrent pas ces contraintes.

À rayon constant, l’accélération nécessaire pour maintenir un élément de pale en mouvement circulaire augmente comme le carré de la vitesse angulaire. Doubler la vitesse exige donc quatre fois l’accélération centripète. Un rayon plus grand augmente aussi la vitesse périphérique à régime égal. C’est pourquoi un gros turbo industriel peut tourner beaucoup moins vite qu’un petit turbo automobile sans fournir moins de travail utile. Le cours du MIT traite les contraintes centrifuges comme une limite de vitesse du compresseur ; citer un régime élevé sans taille de roue omet une grande partie du problème.

La carte du compresseur ajoute une autre limite. Garrett place le débit massique sur l’axe horizontal et le rapport des pressions absolues sur l’axe vertical. Des courbes indiquent le régime de l’arbre, et les îlots de rendement montrent où moins de travail est gaspillé en chaleur. Côté faible débit, le pompage, ou surge, désigne une instabilité de l’écoulement, pas simplement une faible puissance. À la limite de fort débit, le blocage sonique et la baisse de rendement réduisent le domaine utile ; vouloir plus de pression peut provoquer un surrégime. Un compresseur plus gros n’est pas automatiquement meilleur : les points du moteur doivent convenir à sa carte sur toute la plage nécessaire.

Fermer brusquement le papillon peut déplacer le point vers le pompage, car le moteur accepte moins d’air alors que la roue tourne encore. Les montages réels utilisent une soupape de dérivation ou de décharge du compresseur pour atténuer ce phénomène. Elle est distincte de la wastegate d’échappement. L’exposition omet cette soupape et ne possède pas de carte de compresseur : elle ne peut prédire les bruits de pompage ni valider un turbo de remplacement. Son essai d’accélérateur montre le retard de suralimentation, pas toutes les instabilités d’une admission réelle.

Séparer les impulsions d’échappement ou modifier l’entrée de turbine

Une turbine twin-scroll conserve une seule roue. Son carter comporte des passages d’échappement séparés, et un collecteur divisé maintient certains groupes de cylindres à part jusqu’à la roue. Cette séparation préserve les impulsions utiles et réduit les interférences entre cylindres. La description technique de BorgWarner d’une application six cylindres de série explique l’amélioration de réponse à bas régime. Twin-scroll ne signifie pas biturbo ; ajouter une cloison dans le carter sans conserver les passages correspondants du collecteur ne reproduit pas l’ensemble.

La géométrie variable agit ailleurs. Des ailettes mobiles autour de la turbine modifient le passage effectif à l’entrée. Garrett explique que les ailettes de son VGT diesel se ferment à bas régime pour augmenter la puissance de turbine et la suralimentation, puis s’ouvrent à haut régime pour laisser passer plus de gaz et éviter le surrégime. La roue elle-même ne change pas de taille. La commande adapte la turbine à davantage de conditions de débit qu’un carter fixe, mais il faut toujours gérer la complexité de l’actionneur et les gaz chauds.

Aucune des deux solutions ne supprime l’énergie nécessaire pour accélérer le rotor. Mieux exploiter les impulsions ou adapter l’entrée peut raccourcir la réponse, mais un faible échappement limite toujours l’énergie disponible. Une petite turbine aide à bas régime tout en pouvant devenir restrictive à fort débit. Une grande réduit parfois cette restriction, mais accélère plus difficilement. Le choix dépend du moteur et de son usage, pas d’un classement universel des architectures. Ces carters alternatifs ne sont pas sélectionnables dans l’exposition : la turbine visible reste l’exemple à géométrie fixe et wastegate décrit plus haut.

Quand réduire la cylindrée économise du carburant

Le downsizing remplace un gros moteur par un plus petit, suralimenté lorsque la demande de puissance est élevée. Son intérêt vient du fait que la conduite ordinaire n’exige souvent qu’une fraction de la puissance maximale. Le petit moteur peut avoir moins de frottements et fonctionner avec moins d’étranglement à demande routière égale. Le turbo récupère les performances que la réduction de cylindrée ferait perdre. On compare des systèmes complets accomplissant le même travail ; monter un turbo sur n’importe quel moteur ne garantit pas une économie.

Le rapport Automotive Trends de l’EPA classe la suralimentation parmi d’autres technologies moteur et étudie leurs effets combinés sur les performances et l’efficacité. Ces données de parc décrivent l’adoption des techniques et des véhicules complets ; elles n’isolent pas une économie garantie due au turbo seul. La masse, la transmission, la résistance à l’avancement et la calibration influencent le résultat. Une comparaison juste demande des véhicules équivalents sur le même cycle de conduite. On ne peut déduire aucun pourcentage unique d’économie de la puissance affichée ici : le modèle ne comprend ni véhicule ni cycle routier.

Une forte suralimentation impose aussi des limites. Des pressions et températures d’admission élevées peuvent faire s’auto-enflammer le mélange encore imbrûlé d’un moteur à essence avant l’arrivée normale de la flamme. Les oscillations rapides de pression qui en résultent sont le cliquetis, distinct de l’allumage prévu par étincelle. Refroidir la charge aide, tout comme un carburant suffisamment résistant au cliquetis et un calage d’allumage adapté. Le taux de compression compte aussi, mais c’est un rapport géométrique de volumes du cylindre, pas le rapport de pression du compresseur. Ils décrivent des processus différents et ne doivent pas être additionnés. Le modèle fixe rendement et mélange, sans calcul de cliquetis : une puissance croissante n’autorise pas à relever la limite d’une vraie voiture.

Un compresseur mécanique entraîné par courroie prend son travail au vilebrequin et peut répondre sans attendre l’accélération d’une turbine d’échappement. Cette demande consomme néanmoins de la puissance moteur. Un turbo électriquement assisté ajoute du couple électrique sur l’arbre commun turbine-compresseur. Les documents eTurbo de BorgWarner décrivent aussi la production d’électricité à partir de l’énergie excédentaire de la turbine. Son autre produit eBooster est un compresseur électrique complétant le turbo classique ; ce n’est pas le même matériel qu’un moteur sur l’arbre du turbo. Énergie de batterie, pertes électriques et évacuation de chaleur restent dans le bilan. Aucun de ces appareils ne crée gratuitement de l’air comprimé.

Trois comparaisons à l’écran

Pour comparer le refroidissement, maintenez 4000 rpm, plein accélérateur et une limite de suralimentation de 1 bar. Attendez la stabilisation des courbes de l’arbre et de pression avant de relever la puissance. Changez seulement l’échangeur. Le modèle donne environ 115 kW avec refroidissement et 95 kW sans. Comparez aussi la température entrant dans le moteur et l’air par cylindre. On teste la densité à pression presque inchangée, pas la taille du moteur.

Pour comparer la réponse, réglez 2000 rpm et laissez le système se stabiliser à 15% d’accélérateur. Passez à fond et observez le graphique des 8 s précédentes. La courbe d’accélérateur bouge d’abord ; la pression suit la réponse du rotor. Répétez à 3500 rpm avec la même ouverture initiale. Ne comparez pas les courbes juste après avoir modifié plusieurs réglages, car les vitesses initiales d’arbre différeraient. La loi simple de retard rend cet essai répétable, mais ce n’est pas une mesure d’accélération d’un moteur de série.

Pour comparer la wastegate, gardez le plein accélérateur et la même limite en passant de 4000 rpm à 6000 rpm. L’ouverture augmente alors que la pression stabilisée reste limitée. Une plus grande ouverture ne signifie pas que le turbo cesse de fonctionner : l’échappement entraîne toujours la roue, mais une plus grande part la contourne. Enfin, mettez la limite à zéro et comparez la puissance après stabilisation. Ces essais distinguent refroidissement, réponse transitoire et régulation, sans prétendre simuler consommation, cliquetis ou autres turbines.