Turbo Systems 102 (Advanced)

Merci de passer entièrement en revue et d’avoir une bonne compréhension de Turbo Tech 101 – niveau basique avant de lire cette section. Les secteurs suivants seront couverts dans Turbo Systems 102 – niveau avancé:

1. Le « trim »
2. Compréhension de la taille de volute : A/R
3. Les différents types de collecteurs (avantages/inconvénients « log style » vs « longueur égale) »
4. Taux de compression avec boost
5. Réglage du rapport air/carburant : Riche v. Pauvre, pourquoi pauvre fait plus de puissance mais est plus dangereux

1. Le « Trim »

Trim est un terme commun utilisé en parlant ou en décrivant des turbos. Par exemple, vous pouvez entendre quelqu'un dire "j'ai un turbo GT2871R « Trim 56 ». Qu'est-ce que le « Trim » ? Trim est un terme pour exprimer la relation entre l'inducer* et l’exducer* tant des roues de compresseur que de turbine. Plus précisément, c'est un ratio d’aire.

Le diamètre inducer est défini comme le diamètre où l'air entre dans la roue, tandis que le diamètre exducer est défini comme le diamètre où l'air quitte la roue.

Basé sur l'aérodynamique et des chemins d'entrée d’air, l'inducer pour une roue de compresseur est le diamètre le plus petit. Pour des roues de turbine, l'inducer c'est le plus grand diamètre (cf. Figure 1).

Figure1. Illustration du diamètre inducer et du diamètre exducer des roues de compresseur et de turbine

Exemple n°1 : turbo GT2871R (numéro de pièce Garrett 743347-2) a une roue de compresseur avec les dimensions ci-dessous. Quel est le trim de la roue du compresseur ?

Inducer diamètre = 53.1mm
Exducer diamètre = 71.0mm

Exemple n°2 : turbo GT2871R (part n° 743347-1) a une roue de compresseur avec un diamètre exducer de 71.0mm et un trim de 48. Quel est le diamètre inducer de la roue du compresseur ?

Exducer diamètre = 71.0mm
Trim = 48

Le trim d'une roue, soit du compresseur soit de la turbine, affecte la performance en changeant le débit d'air. Si tous les autres facteurs sont constants, une roue à trim plus élevé débitera plus qu'une roue à trim plus petit.

Cependant, il est important de noter que très souvent tous les autres facteurs ne sont pas constants. Donc si une roue a un plus gros trim ne signifie pas nécessairement qu'elle débitera plus.

2. Compréhension de la taille de volute : A/R

A/R (Aire/Rayon) décrit une caractéristique géométrique de toutes les volutes de compresseur et de turbine. Techniquement, il est défini comme :

L'aire de la coupe transverse de l’admission (ou, pour les volutes de compresseur, la décharge) divisée par le rayon de la ligne médiane de turbo au centre de cette aire (cf. Figure 2).

Figure 2. Illustration d’une volute de compresseur montrant la caractéristique de l’A/R

Le paramètre A/R a des effets différents sur la performance du compresseur et de la turbine, comme décrit ci-dessous.

A/R du Compresseur - La performance du compresseur est comparativement insensible aux changements d’A/R. Des volutes de plus grand A/R sont parfois utilisées pour optimiser la performance des applications à faible boost et des A/R plus petits sont utilisés pour des applications à fort boost. Cependant, comme l’influence de l’A/R sur la performance du compresseur est mineure, il n'y a pas plusieurs A/R disponibles pour les volutes du compresseur.

A/R de la turbine - La performance de la turbine est énormément affectée en changeant l'A/R de la volute, comme il est utilisé pour ajuster le débit de la turbine. L'utilisation d'un A/R plus petit augmentera la vitesse de gaz d'échappement dans la roue de la turbine. Cela fournit une puissance de turbine accrue aux faibles régimes du moteur, aboutissant à une montée du boost plus rapide. Cependant, un petit A/R fait aussi que le flux entre dans la roue plus tangentiellement, ce qui réduit le débit suprême de la roue de turbine. Cela aura tendance à augmenter la contre-pression à l’échappement et réduira la capacité du moteur "à respirer" efficacement au haut régime, affectant défavorablement la puissance moteur maximale.

Au contraire, l’utilisation d’un plus grand A/R abaissera la vitesse de gaz d'échappement et retardera le temps de réponse. Le flux dans une volute d’A/R plus grand entre dans la roue de façon plus  radiale, augmentant le débit efficace de la roue, aboutissant à une contre-pression inférieure et une meilleure puissance aux régimes moteur élevés.

En décidant entre des options d’A/R, soyez réaliste avec l’utilisation à laquelle le véhicule se destine et utilisez l'A/R pour influencer la performance vers la plage de puissance désirée.

Voici un aperçu simpliste de la comparaison de géométrie de volute de turbine avec des applications différentes. En comparant différents A/R de volute de turbine, il est souvent possible de déterminer l'utilisation destinée du système.

Imaginez deux moteurs 3.5L les deux utilisant des turbos GT30R. La seule différence entre les deux moteurs est l’A/R de la volute de turbine; autrement les deux moteurs sont identiques :
1. Le moteur #1 a une volute de turbine avec un A/R de 0.63
2. Le moteur #2 a une volute de turbine avec un A/R de 1.06.

Que pouvons-nous déduire de l'utilisation destinée et le turbocompresseur correspondant pour chaque moteur ?

Moteur #1 : Ce moteur utilise une volute de turbine d’un A/R plus petit (0.63) donc en faveur de plus de couple à bas régime et un temps de réponse optimal. Plusieurs le décriraient comme étant plus "fun" à conduire dans la rue, comme des habitudes de conduite quotidiennes normales ont tendance à favoriser la réponse transitoire. Cependant, aux régimes moteur élevés, cette volute d’A/R plus petit aboutira à une contre-pression élevée, qui peut aboutir à une perte de puissance à l’approche du régime maximal. Ce type de performance moteur est souhaitable pour des applications de la rue où le temps de réponse à faible régime et les conditions transitoires sont plus importants que la puissance à haut régime.

Moteur #2 : Ce moteur utilise une volute de turbine d’un A/R plus grand (1.06) et est tourné vers la puissance maximale, en sacrifiant la réponse transitoire et le couple aux régimes moteur très bas. La volute d’A/R plus grand continuera à minimiser la contre-pression à haut régime, au bénéfice de la puissance maximale du moteur. D'autre part, cela augmentera aussi le régime auquel le turbo peut fournir le boost, augmentant le temps de charge. La performance du Moteur #2 est plus appropriée pour des applications de course que le Moteur #1 où le moteur fonctionnera à haut régime la plupart du temps.

3. Les différents types de collecteurs (avantages/inconvénients « log style » vs « longueur égale) »

Il y a deux différents types de collecteurs de turbo; le « log style » moulé (cf. Figure 3) et le style tubulaire soudé (cf. Figure 4).

Figure 3. Collecteur de turbo « log style » moulé

Figure 4. Collecteur de turbo tubulaire soudé

Un collecteur conçu pour les moteurs turbos est trompeusement complexe comme il y a beaucoup de facteurs à prendre en compte et à négocier.

Les astuces de conception générales pour la meilleure performance d’ensemble sont :

- Maximiser le rayon des courbures qui composent la première partie de l’échappement pour entretenir l'énergie de pulsion
- Faire les conduits d’échappement de longueur égale pour équilibrer le retour d'échappement à travers tous les cylindres
- Éviter les changements rapides de section pour entretenir l'énergie de pulsion vers la turbine
- Au collecteur, présentez le flux de tous les conduits avec un faible angle pour réduire au minimum les turbulences du flux dans le collecteur
- Pour un meilleur temps de réponse, réduisez au minimum le volume d'échappement entre les ports d'échappement et l'entrée de la turbine
- Pour une meilleure puissance, des longueurs de conduits optimisées peuvent être utilisées

Les collecteurs moulés sont généralement trouvés en équipements d’origines des véhicules, tandis que les collecteurs tubulaires soudés sont presque exclusivement trouvé en après-vente et sur des voitures de course. Les deux types de collecteurs ont leurs avantages et inconvénients. Les collecteurs moulés sont généralement très durables et sont dédiés à une seule voiture. Ils exigent un outillage spécial pour le moulage et l'usinage de fonctions spécifiques sur le collecteur. Cet outillage peut être cher.

D'autre part, les collecteurs tubulaires soudés peuvent être faits sur mesure pour une application spécifique sans avoir besoin d'un outillage spécial. Typiquement, le fabricant coupe des coudes pré pliés d'acier dans la géométrie désirée et soude ensuite tous les composants ensemble. Des collecteurs tubulaires soudés sont une solution très efficace. Une remarque à prendre en compte est la durabilité de cette conception. À cause des joints soudés, des parois plus minces et d’une rigidité réduite, ces types de collecteurs sont souvent susceptibles de se fissurer en raison de la dilatation/contraction thermique et de la vibration. Toutefois, des collecteurs tubulaires correctement construits peuvent durer longtemps. De plus, des collecteurs tubulaires peuvent offrir un avantage de performance substantiel sur un collecteur « log-type ».

Une caractéristique de conception qui peut être commune aux deux types de collecteurs est un "COLLECTEUR DIVISÉ", typiquement employé avec les turbos « twin-scroll ». Les collecteurs d'échappement divisés peuvent être incorporés aussi bien dans les collecteurs moulés ou les collecteurs tubulaires soudés (cf. Figure 5 et Figure 6)

Figure 5. Collecteur moulé avec une entrée de turbine divisée

Figure 6. Collecteur tubulaire soudé avec une entrée de turbine divisée

Le concept est de DIVISER ou de séparer les cylindres dont les cycles s'immiscent entre eux pour mieux utiliser l'énergie de pulsion d'échappement du moteur.

Par exemple, sur un moteur à quatre cylindres avec l'ordre d’allumage 1-3-4-2, le cylindre n°1 finit son temps de détente et ouvre sa soupape d'échappement tandis que le cylindre n°2 a toujours sa soupape d'échappement ouverte (le cylindre n°2 est dans sa période de croisement de soupapes). Dans un collecteur d'échappement non divisé, cette impulsion de pression de l’ouverture de la soupape d’échappement du cylindre n°1 va beaucoup plus probablement contaminer le cylindre n°2 avec des gaz d'échappement à haute pression. Non seulement cela atteint la capacité du cylindre n°2 à respirer correctement, mais cette énergie de pulsion aurait été mieux utilisée dans la turbine.

Le groupement approprié pour ce moteur est de garder les cylindres complémentaires groupés ensemble – n°1 et n°4 sont complémentaires; tout comme le sont les cylindres n°2 et n°3.

Figure 7. Illustration d’un carter de turbine divisé

A cause de la meilleure utilisation de l'énergie de pulsion d'échappement, la performance de la turbine est améliorée et la pression augmente plus rapidement.

4. Taux de compression avec boost

Avant de discuter du taux de compression et du boost, il est important de comprendre le cliquetis, aussi connu comme détonation. Le cliquetis est une condition dangereuse causée par une combustion non contrôlée du mélange air/essence. Cette combustion incorrecte cause des pics de pression rapide dans la pression de cylindre qui peut endommagés le moteur.

Les 3 principaux facteurs qui influencent le cliquetis sont :

1) Les caractéristiques de résistance au cliquetis (limite cliquetis) du moteur :
Puisque chaque moteur est énormément différent quand on parle de résistance au cliquetis, il n'y a pas qu’une seule réponse à la question "combien". Les caractéristiques de conception comme la géométrie de chambre de combustion, l'emplacement de bougie, la taille de l’alésage et le taux de compression affectent tous les caractéristiques du cliquetis d'un moteur.

2) Conditions d'air ambiant :
Pour une application turbocompressée, les conditions d'air ambiant et les conditions d'admission du moteur affectent le boost maximum. L’air chaud et une forte pression cylindre augmente la tendance d'un moteur à cliqueter. Quand un moteur est suralimenté, la température de l’air d’admission augmente, augmentant ainsi la tendance à cliqueter. L’intercooler s’occupe de ce souci en rafraîchissant l'air comprimé produit par le turbocompresseur.

3) Indice d'octane du carburant utilisé :
L'indice d’octane est une mesure de la capacité d'un carburant à résister au cliquetis. L'indice d'octane des pompes à essence varie de 85 à 94, tandis que l’essence de compétition serait bien au-dessus de 100. Plus l'indice d'octane du carburant est élevé, plus il est résistant au cliquetis. Puisque le cliquetis peut être destructeur, il est important d'utiliser le carburant d'un indice d’octane suffisant pour sa voiture. En général, de fortes pressions demandent un indice d’octane élevé.

Cela ne peut pas être exagéré : la calibration de l’injection et de l’allumage d’un moteur joue un énorme rôle dans le comportement au cliquetis d'un moteur. Voir le paragraphe 5 ci-dessous pour plus de détails.

Maintenant que nous avons présenté le cliquetis, les facteurs l’influençant et les façons de diminuer la probabilité de détonation, parlons du taux de compression. Le taux de compression est défini comme :

Ou

Où
CR = taux de compression
Vd = cylindrée
Vcv = volume mort

Le taux de compression d’origine sera différent pour les moteurs atmosphériques et les moteurs suralimentés. Par exemple, une Honda S2000 a un taux de compression de 11.1:1 d’origine, tandis que Subaru Impreza WRX turbocompressée a un taux de compression de 8.0:1.

Il y a de nombreux facteurs qui affectent le taux de compression maximal admissible. Il n'y a pas qu’une seule réponse correcte pour chaque application. Généralement, le taux de compression devrait être mis aussi haut que possible sans rencontrer de cliquetis en pleine charge. Un taux de compression qui est trop bas aboutira à un moteur qui est un peu lent dans l'opération de « off-boost ». Cependant, s’il est trop haut cela peut conduire à de sérieux problèmes moteurs dus au cliquetis.

Les facteurs qui influencent le taux de compression incluent : des propriétés d'antidétonantes du carburant (l'indice d'octane), la pression de boost, la température d’admission, la conception de chambre de combustion, l’avance à l’allumage, des événements de soupapes et la contre-pression échappement.
Beaucoup de moteurs atmosphériques modernes ont des chambres de combustion bien conçues qui, avec une mise au point appropriée, permettront des pressions modestes sans changer le taux de compression. Pour des cibles de puissance plus élevées avec plus de pression, le taux de compression devrait être ajusté pour compenser.

Il y a une poignée de façons de réduire le taux de compression, certains meilleurs que d'autres. Le moins désirable est d’ajouter une entretoise entre le bloc et la culasse. Ces entretoises réduisent le confinement conçu dans les chambres de combustion d'un moteur et peuvent changer le calage des arbres à cames. Les entretoises sont, cependant, relativement simples et peu coûteuses.

Une meilleure option, si plus chère et plus longue à installer, est d’utiliser des pistons de compression inférieure. Ceux-ci n'auront aucun effet défavorable sur le calage des arbres à cames ou l’étanchéité de la culasse, et permettront des zones de confinement appropriées dans les chambres de combustion.

5. Réglage du ratio Air/carburant : Riche vs Pauvre,  pourquoi pauvre fait plus de puissance mais est plus dangereux

En discutant mise au point moteur le « Rapport Air/Carburant » (AFR) est un des sujets principaux. La calibration d’un AFR approprié est essentielle pour la performance et la durée de vie du moteur et de ses composants. L'AFR définit le ratio entre la quantité d'air consommée par le moteur et de la quantité de carburant.

Un AFR stoechiométrique a la quantité correcte d'air et de carburant pour produire une combustion chimiquement complète. Pour des moteurs à essence, l’AFR stoechiométrique, est 14,7:1, ce qui signifie 14,7 parties d'air pour une partie de carburant. L’AFR stoechiométrique dépend du type de carburant - pour l'alcool il est de 6,4:1 et 14,5:1 pour le diesel.

Ainsi que signifie un AFR riche ou pauvre? Un AFR faible contient moins d'air que l’AFR stoechiométrique 14,7:1, donc c'est un mélange plus riche. Au contraire, un AFR élevé contient plus d'air et donc c'est un mélange plus pauvre.

Par exemple:
15,0:1 = Pauvre
14,7:1 = Stoechiométrique
13,0:1 = Riche

Des AFR pauvres aboutissent à de températures plus élevées quand le mélange est enflammé. Généralement, les moteurs à essence atmosphériques produisent la puissance maximale en étant légèrement riche. Cependant, en pratique il est gardé entre 12:1 et 13:1 pour garder des températures de gaz d'échappement dans les tolérances et gérer la diversité de la qualité de carburant. C'est un AFR en pleine charge réaliste sur un moteur atmosphérique, mais peut être dangereusement pauvre avec un moteur fortement suralimenté.

Regardons plus en détails. Comme le mélange air-carburant est enflammé par la bougie, un front de flamme se propage de la bougie. Le mélange, maintenant brûlé, augmente la pression et la température du cylindre, en pic à un certain point dans le processus de combustion.

Le turbo augmente la densité de l'air aboutissant à un mélange plus dense. Le mélange plus dense augmente la pression de cylindre maximale, augmentant donc la probabilité de cliquetis. Comme l'AFR est pauvre, la température des gaz brûlés augmente, ce qui augmente aussi la probabilité de cliquetis. C'est pourquoi il est impératif de tourner avec un AFR plus riche sur un moteur suralimenté en pleine charge. Faire comme cela réduira la probabilité de cliquetis et gardera aussi les températures sous contrôle.

Il y a en réalité 3 façons de réduire la probabilité de cliquetis en pleine charge sur un moteur turbo : réduisez la pression, ajustez l'AFR pour enrichir le mélange et retardez l’avance à l’allumage. Ces trois paramètres doivent être optimisés ensemble pour produire la puissance fiable la plus élevée.