Comprendre le principe du turbo

Un moteur fonctionne en brûlant du carburant comprimé avec de l’air. Pour augmenter son rendement, il convient d’augmenter la pression de l’air avant de l’injecter dans le moteur. Le turbocompresseur (que l’on appelle souvent juste « turbo ») apporte une solution efficace pour répondre à ces challenges, auxquels font face beaucoup de fabricants de moteurs. On en retrouve aussi dans l’aviation, pour permettre à de nombreux avions de voler même à une altitude où l’air est plus rare. Avatacar vous explique comment cet élément de votre voiture fonctionne !

Le fonctionnement d’un turbo

Pour apporter plus d’air dans le moteur, un turbo utilise l’énergie dégagée par les gaz d’échappement (cette énergie est présente grâce à la vitesse des gaz). Il s’agit d’une source de puissance pour le moteur qui est gaspillée dans certains systèmes, dans le cas où ils ne sont pas équipés de turbo. Ces gaz d’échappement entrent dans le turbo où ils font tourner la roue d’une turbine.

Cette turbine est étudiée pour tourner très rapidement, atteignant une vitesse de rotation pouvant aller jusqu’à 280 000 tr/min. Elle entraîne une roue de compresseur, relié à la turbine par un arbre mécanique (le principe est le même que pour un aspirateur). Ces deux roues tournent donc ensemble et la vitesse de rotation importante permet au compresseur d’aspirer une grande quantité d’air à température ambiante et de la compresser.

Grâce à la compression, l’air est plus dense et a une température plus élevée (le principe inverse est appliqué pour la climatisation). Cet air passe ensuite dans un échangeur air-air, où il est refroidi avant d’entrer dans le moteur. Une fois dans le moteur, l’air compressé permet au moteur de brûler le carburant plus efficacement. Le moteur est de fait beaucoup plus efficace de cette manière.

Les avantages d’un turbo

Les avantages majeurs d’un turbo sont les suivants :

• Grâce au turbo, l’énergie des gaz d’échappement dégagés par le moteur est utilisée avant que les gaz ne soient rejetés.
• Le système est pratique et facile à installer, grâce à son poids léger et son faible volume.
• Avec une meilleure combustion, les fabricants de moteurs n’ont plus besoin de concevoir des moteurs de plus en plus gros pour obtenir davantage de puissance. À la place, ils peuvent utiliser des moteurs plus petits mais plus efficaces qui remplacent les plus gros, consommant alors jusqu’à 40% de carburant en moins et rejetant nettement moins de gaz à effet de serre. Le turbo est une technologie qui répond parfaitement aux besoins du XXIe siècle.
• Les turbos modernes, dits « à géométrie variable » permettent d’optimiser les performances du système. Dans ce cas, soit la section d’entrée de la turbine varie, soit des ailettes présentes autour de la roue de la turbine pivotent pour laisser entrer plus ou moins les gaz d’échappement et les diriger correctement. Ainsi le turbo est efficace sur une plage de régime moteur plus importante. Retrouvez plus d’informations sur le régime moteur, le couple et la puissance !

Les inconvénients d’un turbo

Toutefois, un turbo présente aussi quelques inconvénients :

• Comme les gaz d’échappement sont utilisés pour mettre en mouvement la turbine, leur évacuation est rendue plus difficile.
• La vitesse de rotation très élevée du turbo crée un risque supplémentaire de mauvais fonctionnement du moteur. En effet si l’extrémité des pales de la turbine (qui servent à faire tourner la roue) atteint une vitesse transsonique (égale à la vitesse du son) ou supersonique (supérieure à la vitesse du son), le turbo est détruit. Cette vitesse de rotation doit donc être absolument maîtrisée. Si le turbo casse, le moteur peut continuer de fonctionner mais son rendement est bien plus faible et les performances en sont fortement dégradées.
• Toujours à cause de la vitesse de rotation très importante, les pales de la turbine et du compresseur doivent être parfaitement équilibrées. Si elles ne le sont pas, les deux roues (de la turbine et du compresseur) peuvent se désaxer légèrement et créer d’importants dégâts.
• Le turbo est soumis à d’importantes contraintes thermiques. Du côté de la turbine, les gaz d’échappement sont très chauds (plus de 800°C pour un moteur diesel et plus de 1000°C pour un moteur essence) et du côté du compresseur, l’air aspiré est à température ambiante. Les matériaux utilisés pour la fabrication de ce système sont donc spécifiquement étudiés pour subir de telles contraintes, ce qui explique le prix élevé d’un turbo.
• Lors d’accélérations, au début le turbo ne compresse pas assez d’air et le conducteur ressent parfois une sorte de « sursaut » d’accélération qui peut être désagréable. Ce sursaut est lié au temps que met le turbo pour compresser assez d’air. Pour diminuer cette latence, les constructeurs automobiles utilisent des turbos électriques ou des turbos à géométrie variable.

Différents autres types de turbos

Bi-turbo

On ne retrouve généralement qu’un seul turbo sur les voitures, à cause de l’important coût de ce mécanisme. Néanmoins certains moteurs les plus performants sont équipés de deux turbos (bi-turbo).

Dans le cas d’un montage dit « en série » de deux turbos identiques (c’est-à-dire que les turbos sont l’un après l’autre), le premier est actif même lorsque le régime moteur est faible et le deuxième s’active quand le régime moteur devient plus important. Ainsi, le moteur est rendu encore plus efficace, même si le régime moteur est faible.

Dans le cas d’un montage séquentiel ou à double étage, les deux turbos ne sont pas de la même taille mais le principe est similaire. Le plus petit turbo est actif pour un régime moteur peu important et est aidé par le plus gros turbo (qui a un débit plus important) dès que le régime moteur augmente. Une fois que le régime est élevé, le plus gros fonctionne seul.

Turbo électrique

Le turbo électrique a le même rôle qu’un turbo classique, bien qu’il présente quelques différences. La roue du compresseur n’est plus entraînée par la roue de la turbine, elle-même poussée par les gaz d’échappement, mais elle est alimentée électriquement. Ce type de turbo présente l’avantage de pouvoir être actif même lorsque le régime moteur est très faible, pour que le moteur puisse délivrer plus de puissance rapidement.

Le turbo est activé par un interrupteur contrôlé par le conducteur ou en fonction de la position de la pédale d’accélérateur. La vitesse de rotation du turbo électrique varie en fonction du régime moteur.

Cependant le turbo électrique présente de nombreux inconvénients. Par exemple, la consommation électrique est élevée et l’air n’est que peu comprimé avant d’entrer dans le moteur.

De nos jours, le turbo que l’on retrouve le plus sur le parc automobile est le turbo à géométrie variable.

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Images : Chaîne YouTube MecaTechnique